FONDATIONS DES BÂTIMENTS

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FONDATIONS DES BÂTIMENTS <= Notes sur les pratiques techniques Généralités: Les fondations reprennent les charges (permanentes) et surcharges (variables et climatiques) supportées par la superstructure et les transmettent au sol dans de bonnes conditions afin d’assurer la stabilité de l’ouvrage. Les structures portantes usuelles n’ont ni une rigidité suffisante ni une souplesse satisfaisante a-priori pour s’accommoder d’éventuels tassements différentiels, d’où désordres, fissures; en présence de tels désordres on doit procéder à des reprises en sous œuvres, très onéreuses et souvent aléatoires. Sol: on doit déterminer la couche d’assise et ses caractéristiques : Profondeur (position) Contrainte admissible (puissance) Tassement (comportement) On doit choisir un type de fondation et le dimensionner : Fondations superficielles: lorsqu’existe une couche de sol capable de supporter l’ouvrage à une profondeur relativement faible. Fondations profondes: si les couches superficielles sont trop faibles, les charges sont transmises à un matériau de meilleur qualité situé à une plus grande profondeur, avec :

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FONDATIONS DES BÂTIMENTS

<= Notes sur les pratiques techniques

Généralités: Les fondations reprennent les charges (permanentes) et surcharges (variables et climatiques) supportées par la superstructure et les transmettent au sol dans de bonnes conditions afin d’assurer la stabilité de l’ouvrage.

Les structures portantes usuelles n’ont ni une rigidité suffisante ni une souplesse satisfaisante a-priori pour s’accommoder d’éventuels tassements différentiels, d’où désordres, fissures; en présence de tels désordres on doit procéder à des reprises en sous œuvres, très onéreuses et souvent aléatoires.

Sol: on doit déterminer la couche d’assise et ses caractéristiques :

 Profondeur (position) Contrainte admissible   (puissance) Tassement (comportement)

On doit choisir un type de fondation et le dimensionner :

 Fondations superficielles: lorsqu’existe une couche de sol capable de supporter l’ouvrage à une profondeur relativement faible.

Fondations profondes:  si les couches superficielles sont trop faibles, les charges sont transmises à un matériau de meilleur qualité situé à une plus grande profondeur, avec :

Puits  (Φ>80cm) espacés Pieux (Φ de 60 à 80cm) plus serrés

Fondations particulières:  pour les conditions difficiles (pays minier, nappe aquifère, vibrations, etc.)

Tassement différentiels des fondations: cela donne des contraintes parasites, délicates à évaluer, venant

compromettre l’intégrité de l’ouvrage, essentiellement :

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Fissures dans le remplissage Gêne dans le fonctionnement d’appareils (ponts roulants)  Ruptures de canalisations, etc.

Causes dues au sol:

Hétérogénéité de celui-ci Occlusions diverses Pendage des couches Sol soumis à des variations saisonnières de volumes (humidité, gel,

sécheresse)

Causes dues à la conception du bâtiment:

Fondations de nature différentes Nombre de niveaux différents Parties d’un même bâtiment fondées à des niveaux différents Surcharges d’exploitations différentes Construction d’un bâtiment par tranches (tassements acquis à coté

de tassements devant se faire)

La stabilité des ouvrages suppose qu’il n’y ait pas de déplacements des forces:

Soit dans les fondations elles mêmes (solidité suffisante) Soit dans le terrain support (tassement)

On doit s’arranger pour que les tassements soient de faibles amplitudes et répartis uniformément.

Solution possible: création de Joints de tassements (JT) ou de ruptures (JR), dans lesquels on espère que se circonscriront les éventuels mouvements sans désordres.

Adaptations réciproques:

Certaines structures s’adaptent plus facilement aux déformations du sol que d’autres

Un sol se déforme plus ou moins suivant la nature de la sollicitation transmise par la fondation, donc de la nature de la fondation : une semelle isolée transmet des efforts plus grands que ceux d’un radier !

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Si on prévoit sur un même sol à la fois des semelles isolées ou filantes et un radier, il est fondamental de prévoir des joints de ruptures

Pour une  fondation profonde il faut déterminer les couches de bon sol sur lesquelles l’ouvrage sera fondé

Choix des fondations: ce choix doit être effectué après une sérieuse étude géotechnique. Il est souvent dicté par les caractéristiques de la structure à appuyer sur le sol. l’importance, l’amplitude et la nature des tassements sont déterminants.

On admet que pour qu’une structure se comporte normalement:

Les tassements d’ensemble ne devront pas excéder 5cm Les tassements différentiels ne devront pas excéder 2cm

(en effet toutes les structures se déforment)

Aucun désordre n’est à craindre si :

Structure BA : TD<= 3/1000 portée Structure rigide de voile BA : TD<=2/1000 portée Structure métallique : TD<= 4/1000 portée

Charges et réactions sur les fondations:

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Conseils sur l’implantation des fondations:

Mauvaise solution: l’ouvrage repose sur des sols de natures

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Bonne solution: les fondations de l’ouvrage sont toutes implantées dans le bon sol

Dans cette solution le tassement différentiel est possible : les fondations reposent certes sur un remblai ancien, mais celui-ci masque une couche compressible et peu résistante ; on doit donc implanter cet ouvrage dans la couche de graviers.

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Risque de tassements différentiels car l’épaisseur de remblai est en effet très variable sous les deux fondations

Protection contre le Gel:  les DTU préconisent une assise hors gel de 50cm en régions tempérées et d’au moins 1m en montagne. On peut utiliser la carte ci-dessous issue des travaux de M.Cadiergues. Ces valeurs sont à majorer de 5cm par tranche de 200m, au dessus de 150m d’altitudes

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Risques de séismes: actions accidentelles se manifestant sous la forme de forces horizontales (sur l’ensemble de la structure ou sur certains éléments seulement de celle-ci).

Il est recommandé 

que les points d’appuis d’un même bloc de constructions soient solidarisés par un réseau bidimensionnel de longrines, afin d’éviter les déplacements relatifs.

De constituer des ensembles monolithiques De ne pas chercher à diminuer l’hyperstaticité de la structure

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Nota: les règles parasismiques diffèrent évidemment selon le sol de fondation rencontré.

Calcul des fondations: les fondations doivent être capables de reprendre l’effet général de renversement du au vent, qui majore les contraintes dues aux seules charges verticales.

Effets dus aux sous pressions (poussée d’Archimède): l’effet de mouvements ascendants sont particulièrement graves dans le cas de bâtiments :

Ruptures de canalisations Lézardes, dues au fait que le bâtiment n’a que très rarement la

possibilité de reprendre sa position initiale

On doit donc s’arranger pour que dans toutes les situations le poids de l’ouvrage soit supérieur à la poussée d’Archimède envisagée.

e.g. on doit envisager le cas où une piscine serait vide

e.g. mur de soutènement en maçonnerie.

La maçonnerie est soumise à une sous-pression dirigée vers le haut. De même, à l’intérieur du mur, toute fissure amènera de l’eau et une sous pression.

Dans les calculs la précaution est prise en déjaugeant les maçonneries, i.e. on applique une poussée d’Archimède à celles-ci en diminuant de 1 leur densité relative.

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Fondations superficielles   (DTU 13.1):  en cas de sol d’assise directement accessible à partir du dernier niveau excavé (caves, sous-sols…) ; on distingue :

Les radiers: dalle unique recouvrant la couche portante sur la totalité de l’emprise du bâtiment

Longrines: support distinct des porteurs verticaux

Longrines en gros béton: pour les structures portantes constituées de murs porteurs continus sans appuis isolés (poteaux). On a un lit de béton faiblement dosé (250kg/m^3) coulé directement en tranchée sous les murs, sans armatures transversales, donc inaptes à travailler en flexion dans ce sens. Les longrines travaillent donc en compression pure, par effet de bielle: 

Largeur:  

Profondeur minimale : elle doit mettre le sol d’assise à l’abri du gel ; cela varie de 50 à  100 cm suivant la région climatique.

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Le fond des rigoles doit être horizontal ; sur les couches d’assises en pente on procéde par gradins successifs ou redans

A noter que dans les travaux ultérieurs on ne doit pas ôter la terre d’épaulement latérale sur une longueur importante (on déchausse la rigole)

Emploi: peu performantes a priori mais économiques, les longrines sont adaptées lorsque la longueur L calculée est peu différente de l’épaisseur e du mur, donc que le béton travaille en compression, i.e. L=e+ 10 à 20cm (empattement).

Semelles en béton armé: utilisées lorsque la largeur d’assise de la fondation déborde largement de l’emprise au sol  du porteur vertical qu’elles reçoivent, donc soumises à flexion transversales sous mur, et dans les deux sens sous poteaux. Elles doivent donc résister :

A la flexion A l’effort tranchant du à la charge ponctuelle s’exerçant sur la face

supérieure Elles doivent assurer dans une certaine mesure le chaînage

horizontal

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Semelles continues sous mur:

Semelles rectangulaires (hauteur constante)   :  adaptée lorsque la longueur calculée de la semelle n’excède pas 1m ; les aciers longitudinaux éventuels sont disposés sur un premier lit d’acier transversaux constituant l’armature principale.

P/ml charge transmise par le mur de fondation

P’/ml poids propre de la fondation

contrainte maximale pouvant être supportée par le sol

La largeur minimale l de la semelle filante sera

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On prévoit, sous la semelle, un béton de propreté de 5cm minimum, débordant de 10 cm de part et d’autre de la semelle.

Profils se rapprochant d’un profil d’égale résistance à la flexion   :  adopté lorsque le longueur calculée de la semelle est supérieure à 1m. on a donc un profil à pan coupé et patins (hauteur du patin de 10 à 15 centimètres).  On prendra les valeurs suivantes :

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Avec ht=(l-e)/4

Dans le cas d’une file de poteaux (e.g.) la semelle peut contribuer à la rigidité de l’ensemble, armée comme une véritable poutre pour éviter d’éventuels tassements différentiels.

Semelles isolées sous poteaux:

Faibles charges:  une dalle carrée ou rectangulaire d’épaisseur constante peut suffire

Charges importantes   :  on adopte un profil à pans coupés afin de disposer d’une hauteur suffisante pour résister à l’effort tranchant sans armatures spécifiques de cisaillement et avec un volume de béton armé économique. Les armatures de flexion, un lit dans chaque sens, sont alors disposées en parties basses dans le patin

Nota: dans ce cas on a besoin d’un certain façonnage : coffrage ou dressage à la règle.

En principe les semelles isolées sont homothétiques des appuis qu’elles

supportent.  On doit vérifier : 

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Cas de poteaux très voisins   :   on peut établir une semelle commune trapézoïdale afin de parfaire la rigidité de l’ensemble ; dans ce cas on

doit avoir :

Centre de gravité de la semelle à l’aplomb de la résultante des charges P1 et P2 afin d’avoir une réaction au sol uniforme.

Surface : 

Semelles excentrées: lors d’une construction contre un bâtiment existant, soit on adopte des planchers en consoles, auquel cas on écarte aussi les poteaux de rives et on a des semelles centrées, soit les poteaux de rives sont contre le mur existant et les semelles doivent être excentrées.

Règle du tiers central: la charge descendue par le mur se trouve à une distance m de celui-ci

 

La répartition des contraintes du sol sous la semelle excentrée dans la direction perpendiculaire au poteau est d’allure triangulaire ; la largeur utile dans cette direction est limitée à 3m (m, pas mètres !). on a une répartition

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uniforme dans la direction parallèle au poteau. Une poutre de rigidité éventuelle permet d’écarter le risque d’une rotation de la fondation due à la réaction triangulaire du sol.

on a alors la contrainte maximum de compression:

m et l étant limités on ne peut jouer que sur L: 

Radiers: dalle intéressant la totalité de l’emprise au sol d’un bâtiment. Emploi type :

La contrainte admissible du sol est si faible que la surface nécessaire de fondation atteint ou excède la moitié de la surface au sol du bâtiment

La couche d’assise est hétérogène par la présence sous l’emprise de lentilles de sol incluses aux propriétés mécaniques différentes ; on adopte alors un radier pour neutraliser ces points particuliers et éviter d’éventuels tassements différentiels.

Lorsque le dernier niveau du sous sol se situe en dessous des plus hautes eaux de la nappe phréatique, le recours au radier est obligatoire, car c’est le support continu pour assurer la mise en place de l’étanchéité par produits noirs (bitume) ou écran plastique souple.

Nota: le tassement global des radiers de grandes dimensions peut être important, et rendre ainsi compte de variation de compressibilité de couches profondes.

Pour éviter des tassements différentiels, outre les méthodes citées plus haut, on peut faire déborder plus largement le radier de l’emprise du coté le plus chargé ; naturellement on doit centrer le radier sous la résultante des charges.

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Radiers étanches ou cuvelages   (DTU 14.1 cuvelage dans les parties immergées des bâtiments): ils sont soumis à des sous-pressions exercées par la nappe, qu’il convient de bien évaluer, car dans le cas où celles-ci deviendraient supérieures aux charges la construction pourrait être déstabilisée ; on peut:

Lester la construction Ancrer le radier à une sous couche stable à l’aide de tirants

d’ancrages  scellés dans le sol (solution onéreuse mais élégante) Prévoir d’inonder le sous-sol par la mise en place d’ouvertures

disposées à une hauteur satisfaisante

Radiers plats: économiques, ils sont utilisés lorsque l’entraxe des porteurs verticaux  (<=4 à 5m) autorise des dalles plates en épaisseur économique n’excédant pas 60 à 80cm et suffisamment rigide.

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Les armatures sont souvent en treillis soudés, mises en places et calées sur un béton de propreté. Les armatures sont aussi ancrées dans les porteurs verticaux, afin d’assurer la liaison. On a :

Armatures hautes en milieu de portée Armatures basses en chapeaux sous les porteurs verticaux On y rajoute des armatures de répartitions

Le calcul s’effectue d’abord à la flexion, puis on vérifie à l’effort tranchant au droit des appuis

Radiers nervurés: adoptés lorsque la nature des poteaux ou les entraxes des éléments porteurs sont tels qu’une dalle plate ne serait pas assez économique (épaisseur trop grande). Les radiers sont nervurés par poutres et poutrelles croisées qui raidissent la dalle, dont l’épaisseur en partie courante est sensiblement diminuée.

disposition des nervures:

Nervures dessus:  i.e. plancher nervuré renversé. La surface est à dresser par remplissage entre raidisseurs, complétée par une chape. On doit avoir un terrassement plat en fond de fouilles.

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Nervures sous dalles:  les armatures principales et de répartition sont toutes deux en dalle ; le terrassement est plus complexe, mais la surface est directement exploitable en sol.

Fondations profondes   (DTU13.2 travaux de fondations profondes) : les charges issues des porteurs verticaux sont transmises à la couche d’assise profonde par des appuis fractionnés, la couche d’assise n’étant plus directement accessible à cause e.g. du volume de terrassement considérable ou des difficultés d’exécution d’une telle fouille, en présence d’eau par exemple.

Classement:

Faible section   :  (Φ< 80 à 90 cm), peu espacés : pieux et barrettes Forte section   :  (Φ> 80cm), plus espacés, exécutés manuellement à

l’abri d’un blindage : puits

Fonctionnement:

Ancrés légèrement sur la couche lorsqu’elle est bien définie, la charge étant alors transmise par effet de pointe

Enfoncés sur une longueur importante dans la couche d’assise lorsque celle ci est mal définie ; la charge est alors transmise par effet de frottement latéral

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Nota   :  le coût élevé de ces fondations milite pour de grandes portées des éléments d’ossature.

Pieux façonnés à l’avance et préfabriqués: caractéristiques :

Section constante En un seul éléments sur toute la longueur Ils peuvent être en :

Béton armé : les armatures sont déterminées pour que les pieux résistent au levage, au transport, au battage, et pour le service : armatures longitudinales et transversales, sabot solidarisé avec les armatures)

Acier (tube, H, reconstitués par soudage de palplanche Béton tubulaire précontraint : béton légèrement armé, éléments collés

(époxy), précontrainte antérieure au battage par fils adhérents mis en place au banc (alignements) et scellés sur toute leur longueur.

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Equipés en pied d’un sabot ou pointe

Leur mise en place se fait par refoulement du sol :

Dynamique:

Battage au mouton à chute libre ou automoteur Vibrofonçage

Statique : fonçage au vérin, ce qui implique la présence d’un massif de réaction

On établit ensuite une courbe de battage, qui donne une idée précise de la force portante de chaque pieux. Ce procédé est limité par les capacités du matériel de battage (hauteur et puissance de frappe). On emploi actuellement surtout des pieux en acier, à cause des nombreux inconvénients des pieux béton.

Pieux et puits façonnés en place: très grande souplesse d’emploi ; ils sont coulés en place en remplissant un forage de béton.

Etape 1   : perforation   :

Par refoulement du sol   :  un tube d’acier épais bouchonné en pied est forcé jusqu’à la profondeur requise en frappant soit sur le bouchon qui entraîne le tube, soit en tête par l’intermédiaire d’un casque ; le tube est souvent récupéré en cours de bétonnage.

Par extraction du sol   :  le sol est foré à l’aide de matériel assez spécifique :

Sans blindage   :  temps d’ouverture limité  A l’abri   :

Pieux forés tubés : tubes aciers Pieux forés à la boue : cake déposé par une boue de forage

(bentonite) Blindage bois ou métallique, établi à l’avancement ou

descendu de la surface par havage

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Procédés spéciaux

Etape 2   : bétonnage   :  des précautions spéciales doivent être prises car des accidents dus à des venues de terre sont à redouter.

Exemple de la fondation par havage   :

Le rouet est le biseau facilitant la pénétration dans le sol. à partir du caisson sur le sol on creuse à l’intérieur au moyen d’une benne preneuse, ce qui fait descendre le caisson. Puis, le caisson ayant suffisamment descendu dans le sol, on y ajoute des caissons supplémentaires suivant la profondeur que l’on cherche à atteindre. Lorsque le caisson a atteint le niveau de la fondation, on le remplit de béton. Attention : on doit faire descendre le caisson bien verticalement !

Liaisons en tête des pieux et puits: elle a lieu en fonction

De la nature des porteurs verticaux (murs continus, poteaux) Des entraxes des appuis fractionnés (pieux ou puits)

La liaison des têtes de pieux est plus ou moins indispensables :

Sous murs porteurs continus: les pieux ou puits sont reliés par de véritables poutres en béton armé, constituant un appui continu pour les murs

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Sous poteaux: si on ne redoute ni glissement ni déversement :

Poteaux assis directement sur les puits correspondants Poteaux assis sur une semelle liant les pieux en tête

Le plus souvent les semelles sont liaisonnées entre elles dans les deux sens par des poutres de rigidité constituant un chaînage bas

Protection vis à vis de l’humidité:

emontées capillaires Niveau de la nappe phréatique variable suivant les saisons

Empêcher l’eau contenue dans le sol de parvenir jusqu’à l’ouvrage   :  i.e. on récupère et on canalise les eaux d’infiltrations avant qu’elles n’atteignent les murs ou planchers du bâtiment.

Drains autours du bâtiment, surtout si le terrain est en pente ; cette solution n’est à utiliser que pour les terrains humides et peu perméables.

Hérisson de pierre sous l’ouvrage Puits Cour anglaise autour de la construction

Empêcher la propagation de l’eau dans l’ouvrage:

Murs en contact avec le sol : on doit arrêter l’ascension capillaire venant du sol et les projections d’eau de pluie sur les murs

Les parties d’ouvrages enterrées doivent être parfaitement étanches quelque soit le niveau de la nappe phréatique:

Nécessité d’une mise en œuvre soignée car ce sont des ouvrages coûteux et difficiles à réparer

Le complexe d’étanchéité doit être résistant et protégé contre les désordres de tout acabit.

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Coupures étanches: elles empêchent les remontées capillaires dans les murs :

Bandes ou feuilles de polyéthylènes

Bandes bitumeuses

Arases au mortier hydrofugé de 2cm d’épaisseur

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Vide sanitaire ventilé: évite l’humidification des planchers proches du

Suppression des remontées capillaires par rupture de contactSuppression des condensations et évacuation de l’eau de composition des dalles grâce à la ventilation

naturellement il convient que le drain de pierres ait un exutoire pour pouvoir assurer sa fonction.

Cas particulier des sous-sols dans la nappe phréatique: la pression exercée sur les parois du sous sol dépend de la hauteur piézomètriques (différence entre le niveau supérieur de la nappe et le niveau du plan où l’on étudie l’effet de la pression et de la sous pression).

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on doit:

Incorporer un hydrofuge de masse dans les voiles en béton armé et dans le radier

Déterminer le taux de travail des armatures en tenant compte des effets très défavorables de la fissuration du béton

Réaliser un cuvelage intérieur en mettant en œuvre :

Un enduit hydrofuge type SIKA ou bien Badigeon provoquant une cristallisation superficielle du béton propice

à une bonne étanchéité ou bien Enduit à base de résines époxy

Si possible réaliser un drain, avec un puisard pompé en permanence

o Imperméabiliser le sol d’assise par des injections, dans le cas où cette couche n’est pas suffisamment imperméable.