Dimensionner les ouvrages en maçonnerie

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1 6 Dimensionner les ouvrages en maçonnerie E U R O C O D E Guide d application Marcel Hurez Nicolas Juraszek Marc Pelcé

2 Afin d harmoniser les règles de conception et de mise en œuvre des ouvrages de maçonnerie entre les états membres de l Union européenne, les règles de calcul ont été unifiées avec la publication de l eurocode 6. Les Annexes françaises de la norme NF EN /NA «Eurocode 6 - Calcul des ouvrages en maçonnerie - Partie 1-1 : règles générales pour ouvrages en maçonnerie armée et non armée - Annexe Nationale à la NF EN : Règles générales pour ouvrages en maçonnerie armée et non armée» sont en cours de rédaction. Comprendre les changements par rapport aux règles actuelles basées en France sur le DTU 20.1 En adoptant le modèle semi-probabiliste, l eurocode 6 bouleverse les règles de conception des maçonneries en France. Jusque-là, l approche déterministe s imposait. Un gros coefficient de sécurité empirique garantissait une sollicitation très largement inférieure à la résistance de la structure, et tout se passait bien. L eurocode 6, comme les autres eurocodes, sépare l analyse des sollicitations de l analyse des résistances, affectant un facteur partiel à chacune de ces grandeurs. Cette méthode de calcul plus fine prend aussi en compte la durée de vie probable de l ouvrage. Cette évolution consistant à considérer chaque facteur non plus comme une valeur absolue mais comme une variable aléatoire marque une rupture radicale dans l art de construire! Appliquer les nouvelles méthodes de calcul Cet ouvrage s efforce d abord de clarifier les spécifications de l eurocode 6 sur la façon de concevoir, de calculer, puis de mettre en œuvre une maçonnerie réalisée avec des briques, des blocs de béton ou de béton cellulaire ou des pierres. Une autre façon d utiliser cet ouvrage consiste à entrer directement par les exercices pratiques du chapitre 9. Cinq cas classiques y sont présentés en détail pour guider le concepteur dans des cas comparables. À noter que les tableaux de calcul sous Excel de chacun de ces exercices sont disponibles à l adresse suivante : 6EURO CODE Dimensionner les ouvrages en maçonnerie Guide d application M. Hurez N. Juraszek M. Pelcé Chapitre 1 Le marché unique européen Chapitre 2 Caractérisation des matériaux et éléments constitutifs Chapitre 3 Propriétés et caractéristiques des ouvrages de maçonnerie Chapitre 4 Analyse structurale Chapitre 5 Dimensionnement à l état limite ultime (ELU) Chapitre 6 Dimensionnement à l état limite de service (ELS) Chapitre 7 Détails de mise en œuvre Chapitre 8 Durabilité et mise en œuvre Chapitre 9 Exercices pratiques barbary-courte.com Cet ouvrage s adresse aux techniciens, ingénieurs, projeteurs, vérificateurs, formateurs, enseignants et étudiants... chargés de la conception, du calcul, du dimensionnement et de la justification des ouvrages en maçonnerie.

3 Dimensionner les ouvrages en maçonnerie

4 Dans la même collection Eurocode 2 J.-M. Pa i l l é. Calcul des structures en béton, G12043, J. Ro u x. Pratique de l eurocode 2, G12044, J. Ro u x. Maîtrise de l eurocode 2, G12160, Eurocode 5 Y. Be n o i t, B. Le g r a n d, V. Ta s t e t. Calcul des structures en bois, 2 e édition, G12481, (à paraître en 2009). Eurocode 8 V. Dav i d o v i c i. Constructions parasismiques (à paraître en 2009). Le programme des Eurocodes structuraux comprend les normes suivantes, chacune étant en général constituée d un certain nombre de parties : EN 1990 Eurocode 0 : Bases de calcul des structures EN 1991 Eurocode 1 : Actions sur les structures EN 1992 Eurocode 2 : Calcul des structures en béton EN 1993 Eurocode 3 : Calcul des structures en acier EN 1994 Eurocode 4 : Calcul des structures mixtes acier-béton EN 1995 Eurocode 5 : Calcul des structures en bois EN 1996 Eurocode 6 : Calcul des structures en maçonnerie EN 1997 Eurocode 7 : Calcul géotechnique EN 1998 Eurocode 8 : Calcul des structures pour leur résistance aux séismes EN 1999 Eurocode 9 : Calcul des structures en aluminium Les normes Eurocodes reconnaissent la responsabilité des autorités réglementaires dans chaque État membre et ont sauvegardé le droit de celles-ci de déterminer, au niveau national, des valeurs relatives aux questions réglementaires de sécurité, là où ces valeurs continuent à différer d un État à un autre.

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6 ÉDITIONS EYROLLES 61, bd Saint-Germain Paris Cedex 05 AFNOR ÉDITIONS 11, rue Francis-de-Pressensé La Plaine Saint-Denis Cedex Crédits photographiques : FFTB / D.Eskenazi, XELLA, M. PELCE, PLATTARD Le code de la propriété intellectuelle du 1 er juillet 1992 interdit en effet expressément la photocopie à usage collectif sans autorisation des ayants droit. Or, cette pratique s est généralisée notamment dans les établissements d enseignement, provoquant une baisse brutale des achats de livres, au point que la possibilité même pour les auteurs de créer des œuvres nouvelles et de les faire éditer correctement est aujourd hui menacée. En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans l autorisation de l Éditeur ou du Centre Français d exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands Augustins, Paris. AFNOR et Groupe Eyrolles, ISBN AFNOR : ISBN Eyrolles :

7 Sommaire Dédicace... 1 Biographies... 3 Avant-propos... 5 Symboles et notations Le marché unique européen Les eurocodes La directive «Produits de construction» et les Exigences essentielles Le dimensionnement des structures par les eurocodes L eurocode Termes et définitions Termes relatifs à la maçonnerie Termes relatifs à la résistance de la maçonnerie Termes relatifs aux éléments de maçonnerie Termes relatifs au mortier Termes relatifs au béton de remplissage Termes relatifs aux armatures Termes relatifs aux composants accessoires Termes relatifs aux joints de mortier Termes relatifs aux types de mur Autres termes Caractérisation des matériaux et éléments constitutifs Les éléments de maçonnerie... 29

8 II 1.1 Les types d éléments Principales caractéristiques définies par les normes produits Classement en groupes Catégorie déclarée Résistance à la compression déclarée Résistance à la compression moyenne normalisée f b En résumé Exemples de calcul de f b Le mortier de montage Types de mortier et compositions Résistance à la compression f m Adhérence entre éléments et mortier Le béton de remplissage Résistances caractéristiques f ck et f cvk Les armatures Diagramme contrainte-déformation Propriétés et caractéristiques des ouvrages de maçonnerie Résistance caractéristique à la compression de la maçonnerie f k Exemples de calcul de f k Éléments de terre cuite Blocs en béton Blocs de béton cellulaire autoclavé Cas des maçonneries montées à joints interrompus Cas des blocs à bancher Blocs maçonnés Blocs montés à sec Cas des maçonneries chargées parallèlement au lit de pose Résistance caractéristique au cisaillement f vk Cas particulier : résistance verticale au cisaillement de la jonction entre deux murs Résistance caractéristique à la flexion f xk Résistance caractéristique à l adhérence acier-béton f b0k... 56

9 Sommaire III 5. Déformation Relation contrainte-déformation Module d élasticité E Module de cisaillement G Fluage, retrait, gonflement et dilatation thermique Matériaux accessoires Attaches, feuillards, corbeaux et ancrages Linteaux ou prélinteaux préfabriqués Analyse structurale Sécurité des structures : les bases Vérification aux états limites Les situations de projet États limites ultimes (ELU) États limites de service (ELS) Actions sur les ouvrages Valeurs de calcul des effets des actions Actions permanentes Actions variables Charge de neige S Charges de vent W Actions accidentelles Combinaisons d actions pour les calculs Combinaisons à l ELU Combinaisons à l ELS Valeurs de calcul de la résistance Coefficients partiels pour la maçonnerie γ M Analyse des ouvrages Imperfections géométriques Effets du second ordre Murs de maçonnerie soumis à un chargement vertical Élancement des murs Hauteur effective des murs de maçonnerie h ef Épaisseur effective des murs de maçonnerie t ef... 91

10 IV 2.4 Ouvrages de maçonnerie armée soumis à un chargement vertical Élancement des murs Portée utile des poutres de maçonnerie Portée utile des poutres hautes Portée limite des ouvrages de maçonnerie armée soumis à une flexion hors plan Murs de maçonnerie soumis à un cisaillement Répartition des murs de contreventement Répartition des forces horizontales Effet de la torsion Partition des charges verticales accompagnant le calcul de la résistance au cisaillement Répartition des contraintes de cisaillement Ouvrages de maçonnerie armée soumis à un cisaillement Murs de maçonnerie soumis à un chargement latéral Caractérisation des appuis Calcul des moments sollicitants Dimensionnement à l état limite ultime (ELU) Mur soumis principalement à un chargement vertical réparti Méthode générale (mur armé ou non) Calcul de la résistance de la maçonnerie Coefficient de réduction Φ en tête et en pied de mur Calcul des moments fléchissants Mid (méthode forfaitaire) Calcul des moments fléchissants (méthode des rigidités) Exemple 5.1 : comparaison des deux méthodes de calcul des moments fléchissants Coefficient de réduction Fm à mi-hauteur du mur

11 Sommaire V Exemple 5.2 : vérification de la résistance verticale des murs pour un bâtiment de trois niveaux (méthode générale) Méthode simplifiée (mur non armé) Conditions d utilisation Résistance à la compression Exemple 5.3 : vérification de la résistance à la compression (méthode simplifiée) comparaison avec l exemple Mur soumis à des charges concentrées Dispositions pour les éléments de maçonnerie des groupes 2, 3 ou Dispositions pour les éléments de maçonnerie du groupe Exemple 5.4 : vérification de la résistance des appuis d un linteau Murs soumis à un cisaillement Murs de maçonnerie non armée Exemple 5.5 : résistance au cisaillement d un mur non armé Murs de maçonnerie armée Cas 1 : mur ne comportant que des armatures verticales Cas 2 : mur ne comportant que des armatures horizontales Cas 3 : mur comportant des armatures verticales et horizontales Exemple 5.6 : résistance au cisaillement d une maçonnerie armée Murs de maçonnerie chaînée Résistance au basculement des murs armés ou chaînés verticalement Exemple 5.7 : résistance au cisaillement d un mur de maçonnerie chaînée Murs de maçonnerie soumis à un chargement latéral Méthode générale Détermination du moment sollicitant M Ed Détermination de f xd1,app Détermination de f xd2,app

12 VI Exemple de calcul de f xd2,app pour un mur avec joints d assise armés Exemple d utilisation des tableaux de valeurs de α Détermination du moment résistant M Rd Vérification alternative : effet de voûte Méthode simplifiée pour les murs de soubassement Conditions d utilisation Vérification Méthode simplifiée pour le calcul de murs non chargés verticalement et soumis à un chargement latéral uniforme Méthode simplifiée pour le calcul des cloisons Éléments armés soumis à une flexion et à un effort tranchant Généralités Vérification des ouvrages de maçonnerie armée soumis à une flexion Moment résistant M Rd d une section rectangulaire armée Moment résistant M Rd d une section armée composite Vérification des ouvrages de maçonnerie armée en cisaillement Cas des murs armés verticalement soumis à un chargement latéral Moment résistant Résistance à l effort tranchant Cas des linteaux ELU de flexion ELU d effort tranchant Dimensionnement à l état limite de service (ELS) Détails de mise en œuvre Surface minimale d un mur

13 Sommaire VII 2. Montage des éléments Recouvrement des éléments d une maçonnerie non armée Recouvrement des éléments d une maçonnerie armée Recouvrement des éléments d une maçonnerie de pierres naturelles apparentes Cas des maçonneries dont les éléments ne traversent pas l épaisseur du mur Performance minimale du mortier pour une maçonnerie armée Épaisseur des joints de mortier Joints verticaux Charges concentrées : longueur minimale d appui Armatures Diamètre minimal de l armature Rayon de cintrage Longueur d ancrage Longueur d ancrage utile b,u Ancrage des armatures longitudinales sur appuis simples Ancrage des armatures d effort tranchant Longueur de recouvrement entre barres tendues ou comprimées Enrobage minimal des armatures Section des armatures Armatures coulées dans du béton (section minimale) Armatures placées dans les joints d assise (section minimale) Armatures concentrées dans des alvéoles (section maximale) Partie de maçonnerie travaillant en flexion (linteau, poutre haute, etc.) Arrêt des barres tendues dans une section fléchie Espacement des aciers d armature Espacement maximal des cadres et étriers d effort tranchant Maintien de l acier d armature comprimée

14 VIII 4. Chaînages des maçonneries confinées Dispositions générales Dispositions particulières aux maçonneries des groupes 1 et Liaison des murs Liaison avec les planchers et les toitures Transfert des charges latérales Plancher fonctionnant en diaphragme Liaison par feuillard d ancrage Liaison par adhérence-frottement Attache ou chaînage périphérique Plancher ne fonctionnant pas en diaphragme ou bandes de glissement Liaisons entre les murs Intersections Liaisons par attaches des murs creux ou d habillage Saignées et réservations Saignées et réservations verticales Saignées horizontales ou inclinées Coupures de capillarité Chargement de la maçonnerie en phases provisoires Durabilité et mise en œuvre Durabilité Classes d exposition des ouvrages de maçonnerie Spécifications relatives aux matériaux et à leur mise en œuvre Spécifications admissibles pour les éléments de maçonnerie Spécifications du mortier de montage Spécifications du béton de remplissage Spécifications des armatures Choix des aciers selon la classe d exposition Distances d enrobage Armatures préfabriquées pour joints d assise Linteaux Composants accessoires et cornières

15 Sommaire IX 3. Termes utilisés dans l exécution des travaux Dossier de conception Largeur du vide Bardage Mise en œuvre des maçonneries Mouvement de la maçonnerie Joints de rupture Largeur d un joint de rupture Profondeur du joint de rupture par rapport de l épaisseur de la paroi Disposition des plans de glissement Comportement à l eau des joints de rupture Espacement des joints de rupture verticaux Espacement des joints de rupture horizontaux Écarts géométriques de mise en œuvre admis Résistance à l humidité des murs extérieurs Préparation des matériaux Mortiers et bétons de remplissage préparés sur le chantier Adjuvants et additions Proportion d eau dans le béton de remplissage Méthode et durée de gâchage Durée d utilisation des mortiers et du béton de remplissage Gâchage par temps froid Mortiers industriels, mortiers prédosés, mortiers prémélangés de chaux/sable et béton de remplissage prêt à l emploi Adhérence entre le mortier et les éléments de maçonnerie Pose des éléments de maçonnerie Rejointoiement et jointoiement des maçonneries autres qu à joints minces Rejointoiement Jointoiement Incorporation de membranes d étanchéité Joints de rupture

16 X Incorporation de matériaux d isolation thermique Nettoyage des maçonneries de parement Procédés de protection et de cure au cours de la construction Protection contre la pluie Protection contre les cycles de geldégel Protection contre les effets d une faible humidité Protection contre les dommages d origine mécanique Hauteur de construction journalière de la maçonnerie Exercices pratiques Calcul d une façade porteuse chargée au vent Hypothèse de calcul Vérification à l état limite ultime de résistance Calcul de la pression du vent w à l ELU re vérification : résistance en partie supérieure du mur Charge N id,h en tête de mur Excentricité ei,h en tête du mur Coefficient de réduction φ i,h en tête de mur (équation 5.5) Résistance de la maçonnerie en partie supérieure (équation 5.3) Vérification de la résistance en partie supérieure (équations et 9.1.2) e vérification : résistance en pied de mur Charge N id,b en pied de mur Excentricité e i,b en pied de mur Coefficient de réduction φ i,b en pied de mur (équation 5.5) Résistance de la maçonnerie en partie inférieure (équation 5.3) Vérification de la résistance en partie inférieure (équations et 9.1.2)

17 Sommaire XI e vérification : résistance en partie médiane du mur Charge N md en partie médiane Excentricité à mi-hauteur e mk Calcul de l excentricité e hm due au vent Calcul de l excentricité e k due au fluage Calcul de e mk Coefficient de réduction φ m Résistance de la maçonnerie Vérification de la résistance Conclusion Calcul d une façade non porteuse chargée au vent Hypothèse de calcul Vérification à l état limite ultime de résistance Calcul de la pression du vent w à l ELU Vérification de la résistance de la maçonnerie Calcul en maçonnerie non armée Calcul en maçonnerie armée Calcul de la résistance d un linteau en maçonnerie Vérification de l ELU en flexion Vérification de l ELU d effort tranchant Exemple de calcul : mur de soutènement (section composite) Documents de référence Dimensionnement Prédimensionnement et chargement Données du projet Caractéristiques des matériaux Caractéristiques géométriques de l ouvrage Actions et sollicitations Calcul des sollicitations dues à la poussée des terres et à la charge q Vérification des différents états limites Vérification de la stabilité au renversement (ELU EQU) Vérification de la stabilité au glissement (ELU GEO, glissement)

18 XII Vérification de la capacité portante du sol (ELU GEO, portance) Vérification du voile de maçonnerie et de l aile armée (résistance interne de l ouvrage) Calcul des aciers longitudinaux de la semelle (sections S2 et S3) Dispositions constructives Répartition des forces horizontales : application au séisme Documents de référence Dimensionnement Détermination des sollicitations sismiques et prise en compte des effets de la torsion Vérification des murs de contreventement Annexes A Sécurité incendie résistance au feu Exigence de résistance au feu selon le type d établissement Résistance au feu des éléments Résistance au feu des maçonneries de blocs en béton de granulats courants Dispositions constructives Liaisons et joints Canalisations électriques, tuyaux et câbles Vérification de la résistance au feu d une structure B Complément pour le calcul au séisme Conditions sur les matériaux Les éléments de maçonnerie Les mortiers de jointoiement Le béton de remplissage Les armatures Dispositions constructives minimales pour les maçonneries chaînées Chaînages verticaux

19 Sommaire XIII C D E Modifications apportées par l Annexe nationale belge Valeurs des coefficients de sécurité γ M Classe d exécution N (normale) Classe d exécution S (spéciale) Résistance caractéristique à la compression de la maçonnerie f k Résistances caractéristiques à la flexion f xk1 et f xk Épaisseur effective des murs creux Épaisseur minimale du mur Prescriptions géométriques relatives aux groupes d ouvrages de maçonnerie Caractéristiques géométriques des aciers d armature F Adresses utiles En France En Belgique En Suisse Au Québec Bibliographie...309

20 Dédicace À Marie-Christine,

21 Biographies Marcel Hurez Spécialiste du dimensionnement des structures, Marcel Hurez a effectué l essentiel de sa carrière au CERIB (Centre technique du béton). Sa spécialité l a conduit à approfondir le comportement des structures en béton soumises au séisme, ainsi qu au feu. Il a conduit plusieurs études sur la stabilité des maçonneries. Nicolas Juraszeck Spécialiste de la stabilité des maçonneries soumises à des chargements statiques ou dynamiques (séisme), Nicolas Juraszeck représente les fabricants de blocs de béton pour le compte du CERIB à la commission française de l eurocode 6. Il a conduit une étude sur le ferraillage des chaînages des maisons individuelles en zone sismique. Marc Pelcé Généraliste des produits en béton, Marc Pelcé a animé la rédaction de plusieurs ouvrages de vulgarisation édités par le CERIB : Guide pratique des produits en béton pour la maison individuelle, de cédéroms et d outils pédagogiques sur la maison individuelle, les planchers et ossatures.

22 Avant-propos Sébastien Le Prestre de Vauban, «Plusieurs maximes bonnes à observer par tous ceux qui font bâtir» (notes et introduction de Robert Carvais), dans Les Oisivetés de monsieur de Vauban [Michèle Virot, ed.] Seyssel, Champs Vallon, Le programme des eurocodes structuraux constitue un ensemble de textes cohérents dans le domaine de la construction. Il comporte les normes suivantes, chacune étant, en général, constituée d'un certain nombre de parties : EN 1990 eurocode 0 Bases de calcul des structures, EN 1991 eurocode 1 Actions sur les structures, EN 1992 eurocode 2 Calcul des structures en béton, EN 1993 eurocode 3 Calcul des structures en acier, EN 1994 eurocode 4 Calcul des structures mixtes acier-béton, EN 1995 eurocode 5 Calcul des structures en bois, EN 1996 eurocode 6 Calcul des structures en maçonnerie, EN 1997 eurocode 7 Calcul géotechnique, EN 1998 eurocode 8 Calcul des structures pour leur résistance aux séismes, EN 1999 eurocode 9 Calcul des structures en aluminium. L'eurocode 6, pour sa part, comporte les parties suivantes : Partie 1-1 : règles générales Règles pour maçonnerie armée et non armée. Partie 1-2 : règles générales Calcul du comportement au feu. Partie 1-3 : règles générales Règles particulières pour les charges latérales Partie 2 : conception, choix des matériaux et mise en oeuvre des maçonneries Partie 3 : méthodes de calcul simplifiées et règles de base pour les ouvrages en maçonnerie. Les eurocodes structuraux constituent des normes européennes transposables en normes nationales dans les pays suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Chypre, Danemark, Espagne, Estonie, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Irlande, Islande, Italie, Lettonie, Lituanie, Luxembourg, Malte, Norvège, Pays- Bas, Pologne, Portugal, République Tchèque, Royaume-Uni, Slovaquie, Slovénie, Suède et Suisse.

23 6 Les normes nationales transposant les eurocodes comprennent la totalité du texte des eurocodes (toutes annexes incluses). Ce texte peut être : précédé d'une page nationale de titres et par un avant-propos national, et éventuellement suivi d'une Annexe nationale. Application de l eurocode 6 en France Jusqu à présent, les maçonneries en France sont conçues et calculées en se référant au DTU Une révision de ce dernier est en cours pour le mettre en conformité avec l eurocode 6. La version révisée devrait être finalisée pour mars 2010, date d entrée en vigueur de l ensemble des eurocodes dans les pays européens cités ci-dessus. Documents de référence Le présent ouvrage est établi à partir des normes européennes et de leurs Annexes nationales suivantes : NF EN : mars eurocode 6 - Calcul des ouvrages en maçonnerie Partie 1-1 : règles communes pour ouvrages en maçonnerie armée et non armée PR NF EN /NA : janvier Annexe nationale à la NF EN : NF EN : septembre 2006 eurocode 6 Calcul des ouvrages en maçonnerie - Partie 1-2 : règles générales - Calcul du comportement au feu NF EN /NA : septembre 2008 Annexe nationale à la NF EN :2006 NF EN : juin eurocode 6 Calcul des ouvrages en maçonnerie - Partie 2 : conception, choix des matériaux et mise en oeuvre des maçonneries NF EN /NA : décembre 2007 Annexe Nationale à la NF EN :2006 NF EN : juin 2006 eurocode 6 Calcul des ouvrages en maçonnerie - Partie 3 : méthodes de calcul simplifiées pour les ouvrages de maçonnerie non armée PR NF EN /NA : décembre 2008 Annexe nationale à la NF EN : Annexe nationale en cours de validation. Les paramètres nationaux proposés dans cette version ont été utilisés pour la rédaction du livre. Ils pourraient toutefois être légèrement modifiés à la validation définitive du projet. Nous invitons donc le lecteur à s assurer de la bonne concordance des valeurs finales à utiliser.

24 Avant-propos 7 D autres textes sont également utilisés dans l ouvrage, notamment ceux relatifs aux normes produits (EN à 6). Ils sont référencés dans la bibliographie située en fin d ouvrage. Comment lire l ouvrage? L ouvrage est organisé pour répondre à deux familles de questions : D une part les chapitres 1 à 8 s efforcent de clarifier les exigences exprimées dans l eurocode 6, en apportant au concepteur des compléments nécessaires à la mise en application de ces exigences dans les ouvrages de maçonnerie réalisés avec des briques, des blocs de béton ou de béton cellulaire, des pierres. D autre part, le chapitre 9 présente des exercices pratiques immédiatement utilisables. Cinq cas classiques y sont présentés en détail pour guider pas à pas le concepteur dans des cas comparables. Les tableaux de calcul sous MS-Excel de chacun de ces exercices sont disponibles sur le site