précontraindre

La précontrainte est la pratique consistant à introduire délibérément une contrainte interne dans un élément structurel, généralement une tension, avant qu'il ne supporte sa charge de service. L'objectif est simple : créer une force interne qui s'oppose et réduit les contraintes qui surviendront une fois la structure en service. Dans les travaux en béton, c'est l'application dominante. Une poutre en béton précontraint peut être conçue pour subir une contrainte de flexion significative sous son propre poids et les charges imposées ; la précontrainte introduit une force de compression qui neutralise partiellement ou totalement cette contrainte de flexion, permettant des portées plus minces ou plus longues que ce que le béton armé conventionnel permet.

Deux méthodes principales existent. Dans la prétension, des torons ou des câbles en acier sont tendus contre des ancrages externes avant que le béton ne soit coulé autour d'eux. Lorsque le béton durcit et adhère à l'acier, le béton est libéré de la tension externe, tirant vers l'intérieur sur les torons. Les torons tirent en retour, plaçant le béton en compression. Cette méthode est la plus courante dans les usines de préfabrication où des conditions contrôlées et une production répétitive justifient l'infrastructure fixe. La post-tension applique la tension après que le béton a durci. Des gaines sont coulées dans le béton à des emplacements prédéterminés ; après que la résistance se soit développée, des câbles en acier à haute résistance sont enfilés à travers les gaines, tendus avec des vérins hydrauliques ancrés au béton, puis injectés en place. Cette méthode convient au coulage sur site et aux géométries complexes car l'appareil de tension peut être positionné et actionné sur le chantier.

Les matériaux sont essentiels. L'acier de précontrainte, qu'il soit sous forme de fil, de toron ou de barre, doit avoir une résistance à la traction bien supérieure à celle de l'armature ordinaire, généralement de 1 500 à 2 100 mégapascals selon la nuance. L'acier d'armature ordinaire fluerais ou céderait de manière inacceptable sous la tension élevée soutenue requise. L'acier est également très sensible à la fissuration par corrosion sous contrainte s'il est exposé à l'humidité et à certains contaminants, c'est pourquoi l'injection dans les gaines post-tendues, ou les revêtements protecteurs sur les éléments prétensionnés, est essentielle.

Pertes et calcul pratique

La tension initiale est toujours supérieure à la tension finale car la précontrainte est perdue au fil du temps par plusieurs mécanismes. Le raccourcissement élastique du béton immédiatement après la mise en tension réduit la tension dans l'acier. Le fluage et le retrait du béton continuent la perte sur des semaines et des mois. La relaxation de l'acier lui-même, en particulier à des niveaux de contrainte élevés, provoque une baisse progressive de la tension. Selon les conditions, les pertes totales peuvent varier de 10 à 25 pour cent de la tension initiale. Le concepteur doit appliquer ces facteurs de perte pour s'assurer qu'une précontrainte finale adéquate subsiste après que tous les effets ont agi.

La précontrainte permet des portées plus longues, des poutres moins profondes, une réduction de la fissuration et parfois l'élimination de l'armature interne dans certains éléments. Elle modifie l'économie de la construction en béton lorsque de grandes portées libres ou de lourdes charges soutenues l'exigent. Les ponts, les structures de stationnement, les systèmes de plancher à longue portée et les produits en béton préfabriqué, des poteaux utilitaires aux traverses de chemin de fer, utilisent tous couramment la précontrainte. Cependant, le processus exige de la précision : des erreurs dans le placement des torons, une injection inadéquate, une sous-tension ou une surtension peuvent compromettre la structure. Les forces élevées impliquées créent également des risques de sécurité importants pendant les opérations de mise en tension.