LE POSTE DE BETONNAGE «BPE/BFC»

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1 LE POSTE DE BETONNAGE «BPE/BFC» 1 INTRODUCTION Il existe deux modes de production des bétons : les Bétons Fabriqués sur Chantier (BFC) les Bétons Prêts à l Emploi (BPE) Les facteurs à prendre en compte pour choisir l une des deux options sont : le volume total de béton à produire la durée du chantier les productions (moyennes et de pointe) l espace disponible sur chantier les disponibilités de l entreprise en matériel les données liées au transport du béton 2 LES BÉTONS FABRIQUÉS SUR CHANTIER (BFC) Suivant l importance des travaux, on rencontrera 3 types de matériels de fabrication des bétons sur chantier : les bétonnières à axe horizontal ou incliné les malaxeurs à axe vertical ou horizontal les centrales à béton mobiles Dans le cas des bétonnières la cuve en rotation entraine le béton alors que dans le cas des malaxeurs, la cuve est fixe en général, le béton étant entrainé par les pales en rotation. Les malaxeurs permettent d assurer des débits de béton plus grands et de garantir une meilleure régularité de la production. Les centrales à béton représentent un ensemble compact, transportable permettant le stockage, le dosage et le malaxage des différents constituants du béton. Elles peuvent être équipées de bétonnières à axe horizontal ou de malaxeurs à axe vertical. Dans la suite, nous ne nous intéresserons qu aux centrales à béton. TERMINOLOGIE Sur le chantier, la centrale repose sur un radier en béton armé dont les caractéristiques (épaisseur, ferraillage) dépendent des charges et de la nature du sol. Les différents fabricants : ORU, IMER, LIEBHERR 1

2 LES ÉTAPES DE FABRICATION DU BÉTON Chargement des granulats dans la trémie de pesage à partir de leur stockage en étoile à l arrière de la centrale. Ce chargement est réalisé à partir d un rayon raclant équipé d une chaîne à godets. Le rayon se déplace en translation sur le stock pour rester en contact avec le tas de granulats au fur et à mesure que celuici est consommé. Il existe d autres systèmes de stockage pour les granulats (silo à poches, trémies en ligne). Le chargement du ciment stocké dans un ou deux silos est extrait par une vis sans fin. Pesage des granulats et du ciment. En général, le pesage des granulats et du ciment sont indépendants. Ces pesages sont réalisés à l aide de trémies équipées de systèmes mécaniques (fléau) ou électroniques (jauges de déformation) commandant l arrêt de l arrivée en matériau lorsque le poids souhaité est atteint. Le transfert des granulats dans la cuve est assuré par un tapis roulant et celui du ciment par une vis sans fin. Dosage en eau. Il se fait en volume par l intermédiaire d électropompes. Malaxage des constituants. Il est réalisé dans une bétonnière à axe horizontal ou dans un malaxeur à axe vertical. L ordre d introduction des constituants pendant le malaxage dépend de la nature de l unité de malaxage (bétonnière ou malaxeur) Vidage de la gâchée. Il est assuré par inversion du sens de rotation dans le cas des bétonnières ou par ouverture d une trappe dans le cas de malaxeurs. Le béton est alors vidé dans une benne à béton ou une trémie d attente Exemple : On considère la centrale à béton BTK 1008 construite par la société IMER dont les caractéristiques sont les suivantes : Caractéristiques Techniques BTK 1008 Capacité de chargement L 1500 Débit par gâchée L 1000 Stock max. agrégats M3 300 Centrale bétonmatik avec deux balances A pesage ciment 50 B pesage agrégats 80 C dosage en eau 4 D transfert matériaux 36 E malaxage et vidange 80 Phases qui déterminent le cycle B+C+D Temps moyen de cycle 120 Production horaire m3/h 21 Centrale avec une balance A pesage ciment A1 A2 A3 B pesage agrégats B1 B2 B3 C dosage en eau C1 C2 D transfert matériaux D1 D2 Centrale avec deux balances A pesage ciment A1 A2 A3 B pesage agrégats B1 B2 B3 C dosage en eau C1 C2 D transfert matériaux D1 D2 2

3 Remarque : Certaines opérations se chevauchent. Le malaxage n est pas terminé que le chargement et le pesage des granulats de la gâchée suivante a déjà commencé. Opérations les plus longues : dosage en granulat (grande quantité), malaxage (bétonnière) Le temps de cycle permet de déterminer le nombre cycles (ou gâchées) que peut réaliser la centrale en une heure. Dans notre exemple : 600 / 170 = 21 cycles par heure Rendement à la gâchée : (ou volume de gâchée) c est le volume de béton malaxé en sortie de centrale Exemple : pour la centrale BTK 1008 de «IMER», le rendement à la gâchée est de 1 m 3. Rendement horaire : (débit ou production horaire) c est le nombre de mètres cubes de béton malaxé en une heure Exemple : pour la centrale BTK 1008 de «IMER», rendement horaire est de :1 cycles/h x 1 m 3 = 21 m 3 /h. DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES D UNE CENTRALE À BÉTON Si l option BFC a été retenue par l entreprise (cf. étude de rentabilité chap. suivant), le choix du matériel doit être déterminé à partir des hypothèses ci dessus : Trémie de chargement «V3» Cuve de la centrale Benne à béton «V2» V1 Désignation Notation Capacité Correspondance Gâché sèche C.M Capacité de malaxage V3 Gâché mouillée B.F Capacité en béton frais V2 Gâché vibré B.V Capacité en béton vibré V1 V 1 le volume de béton en place (coulé, vibré) V 2 le volume de béton gâché (non vibré) V 3 le volume de granulats et ciment à introduire - Le mouillage et le malaxage provoque une contraction des matériaux de l ordre de 25%. BF = 0.75 C.M 3 - La vibration provoque un tassement du béton de l ordre de 7%. BV = 0.93 B.F

4 BV = 0.70 C.M Explication : V 2 < V 3 car il existe une contraction des matériaux au moment du malaxage de l ordre de 25% due au réarrangement des grains. V 2 = V 3 - (0,25 x V 3 ) = 0,75 V 3 V V V < V + V V 1 < V 2 car il existe : une nouvelle contraction des matériaux de l ordre de 7% due à la vibration des pertes pendant les opérations de transport et bétonnage que l on estime à 3% par exemple D où : V 1 = V 2 - (0,07 x V 2 ) - (0,03 x V 2 ) = 0,90 V 3 Exemple de détermination : Sur le chantier qui nous intéresse, on estime que l on doit mettre en place 35 m 3 de béton en 6 heures. Les temps de cycle (transport à la grue + bétonnage) sont de : 7,9 minutes pour les voiles 4,2 minutes pour les planchers Est-ce que la centrale IMER BTK 1008 convient-elle pour ce chantier? Calcul de la production horaire moyenne La centrale devra assurer une production horaire moyenne de 35 m 3 / 6 h = 5,833 m 3 /h ce qui est tout à fait possible puisque la centrale en question peut assurer une production horaire de 21 m 3 /h Détermination du nombre de cycle par heure entre la grue et la centrale la centrale effectue jusqu à 21 cycles par heures la grue effectue 60 min / 7,9 min = 7 cycles/h pour les voiles la grue effectue 60 min / 4,2 min = 14 cycles/h pour les plancher Le nombre de cycles minimal correspond donc au bétonnage des voiles avec 7 cycles par heure. Ce sera donc l opération dimmensionante. 4

5 Calcul des volumes par cycle En une heure, la centrale fournit 5,833 m3 et la grue assure 7 cycles de bétonnage des voiles. Le volume à mettre en place à chaque cycle est donc V 1 = 5,833 m 3 / 7 cycles = 0,833 m 3 /cycles Compte tenu de la contraction des matériaux et des pertes, le volume de béton gâché devra être V 2 = 0,833 m 3 / 0,90 = 0,926 m 3 à chaque cycle Le volume de granulat à introduire à chaque gâchée devra donc être V 3 = 0,926 m 3 / 0,75 = 1,235 m 3 à chaque cycle Conclusion : la centrale BTK 1008 convient bien puisque le rendement à la gâchée est de 1 m 3. Remarques : Le volume V 2 est un paramètre essentiel pour le choix des centrales à béton, il est à comparer avec le rendement à la gâchée des centrales disponibles. Il permet aussi de déterminer la capacité minimale de la benne à béton. Le volume V 3 définit la capacité minimale de la cuve du malaxeur ou de la bétonnière de la centrale. Afin de ne pas surdimensionner le matériel, on prendra comme base de calcul, une production horaire moyenne de béton en œuvre. Des solutions seront mises en place pour les productions de pointe (stockage, heures supplémentaires, BPE) DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE LA ZONE DE STOCKAGE Le stockage des granulats dépend : de la surface disponible sur chantier du nombre et du volume de granulats à stocker du stock de sécurité nécessaire En général, les granulats sont stockés en étoile. Ils prennent alors la forme de parts de cône de rayon R, hauteur H et d angle au centre. 5

6 Formule de calcul pour l aire de stockage des granulats: V = Pi r² h/3 3V = pi r3 h R3 = 3 V / pi h 6

7 3 LES BÉTONS PRÊTS À L EMPLOI (BPE) Les BPE sont fabriqués dans des centrales à béton de forte capacité. On distingue deux types de centrales : les centrales de malaxage (95% du parc) : le brassage du béton est effectué dans un malaxeur à poste fixe puis ce dernier est chargé dans les camions de livraison les centrales de dosage (5% du parc) : les bétonnières portées se chargent de malaxer les différents constituants préalablement dosés. Les BPE doivent répondre aux exigences de la norme NF EN Cette norme classe les BPE en deux catégories : Les BCP (Bétons à Composition Prescrite) Dans ce cas, le fabricant a l initiative de la composition (dans la limite de ce qu autorise la norme) mais doit garantir certaines caractéristiques du béton : la nature et la classe du ciment ainsi que la nature des additions éventuelles entrant dans la composition du béton Exemple : CPJ-CEM II/A 42,5 ou CPA-CEM I + V la granularité désignée par la dimension D du plus gros grain en mm Exemple : 0/20 la consistance mesurée au cône d Abrams désignée soit par l affaissement mesuré au cône, soit par la lettre correspondant à une classe de consistance Affaissement (cm) Classe de consistance Désignation simplifiée 4 Ferme F de 5 à 9 Plastique P de 10 à 15 Très Plastique TP 16 à 21 Fluide Fl > 21 Très fluide TF 7

8 Les BPS (Bétons à Propriétés Spécifiés) La composition est définie à la commande ainsi que certaines caractéristiques particulières (couleur, adjuvants, spécifications relatives au temps de prise. La garantie du fabricant se limite au respect de la composition de béton commandée. COMMANDE, TRANSPORT ET LIVRAISON La commande doit préciser en plus des caractéristiques garanties (BPS) ou de la composition (BCP) : la quantité de béton en m 3 la date, l heure et le lieu de livraison Le transport des BPE est assuré par des bétonnières portées (ou camions toupies) avec cuve tournante à axe incliné, de forme cylindroconique ou biconique. Les palettes hélicoïdales à l intérieur de la cuve assurent l agitation pour éviter la ségrégation du béton. La vidange est obtenue par inversion du sens de rotation de la cuve. La durée cumulée du transport et de l attente éventuelle sur chantier ne doit pas dépasser 2 heures. Les rajouts d eau sur chantier par l utilisateur de BPE sont strictement interdits. Le déchargement se fait : par goulotte adaptée à la sortie de cuve à l aide de tubes emboités qui permettent de prolonger le rayon d action de la goulotte de 4 à 5 m en contrebas au-delà, des tapis transporteurs permettent de décharger jusqu à 10 m du camion et sur des hauteurs de 5 à 6 m en cas d accès difficile, un camion-pompe permet de livrer le béton à des distances dépassant 150 m et sur des hauteurs de 100 m et plus. 3 ETUDE ECONOMIQUE DU POSTE DE BETONNAGE CALCUL DU PRIX DE REVIENT D UN BFC Le coût de fabrication du mètre cube de BFC dépend : des frais fixes indépendants de la quantité de béton à mettre en œuvre. Ce sont les frais d installation et de repliement de la centrale et du silo à ciment (réalisation du radier, bacs à décantation, montage et démontage du matériel, location d une grue mobile pour le montage du matériel, frais de branchement aux réseaux, frais de transport,...) et les coûts de location des frais variables proportionnels à la quantité de béton à fabriquer. Ce sont les frais des matériaux (granulats, eau, ciment, adjuvants), de l énergie consommée, du temps passé par le bétonnier pour réaliser un mètre cube de béton. Le coût du béton est représenté par une droite d équation : Y(BFC) = a. x + b Avec : Y le coût du béton x la quantité de béton en m 3 à fabriquer a frais variables par mètre cube de béton b frais fixes 8

9 COÛT D UN BPE Le coût du mètre cube de béton livré sur le chantier est traité au meilleur prix après négociation auprès des centrales de la région. Les frais sont uniquement proportionnels au volume de béton livré. Le coût du béton est représenté par une droite d équation : Y(BPE) = a. x Avec : Y le coût du béton x la quantité de béton en m 3 à livrer a prix d un mètre cube de béton livré sur chantier SEUIL DE RENTABILITE ENTRE BFC ET BPE Il existe une quantité de béton au-delà de laquelle la solution BFC devient plus rentable que la solution BPE. Cette quantité appelée seuil de rentabilité est représentée par l intersection des deux droites vues précédemment. Ce seuil de rentabilité détermine donc le choix de production du béton pour un chantier. Les BPS (Bétons à Propriétés Spécifiés) La composition est définie à la commande ainsi que certaines caractéristiques particulières (couleur, adjuvants, spécifications relatives au temps de prise). La garantie du fabricant se limite au respect de la composition de béton commandée. COMMANDE, TRANSPORT ET LIVRAISON La commande doit préciser en plus des caractéristiques garanties (BCN) ou de la composition (BCS) : la quantité de béton en m 3 la date, l heure et le lieu de livraison La durée cumulée du transport et de l attente éventuelle sur chantier ne doit pas dépasser 2 heures. Les rajouts d eau sur chantier par l utilisateur de BPE sont strictement interdits. 9

10 APPLICATION : EXEMPLE : CONSTRUCTION DE 84 LOGEMENTS Le volume de béton à mettre en œuvre pour ce chantier est de 5000 m 3. La production moyenne prévue pour réaliser les plancher et les voiles est de 35 m 3 /j en 6 h. La durée des travaux est de 7 mois. Le coût horaire de la main d œuvre (y compris le bétonnier) est de 128 HT. La centrale à BPE la moins disante propose un prix de 438,32 HT par mètre cube. temps unitaire de production du béton : 6 h / 35 m 3 = 0,17 h/m 3 calcul des frais fixes et variables : a = 358,58 HT / m 3 et b = ,40 HT Calcul des frais fixes Calcul des frais variables par m 3 de béton Désignation U Q P.U. ( ) Total HT ( ) Désignation U Q P.U. ( ) Total HT ( ) a) Installation : centrale a) matériaux - transport U , ,00 - ciment CPA CEM I 52,5 t 0, ,00 188,65 - main d œuvre h , ,00 - sable 0 / 5 t 0,850 66,00 56,10 - béton m , ,00 - gravillons 5 / 25 t 1,150 75,00 86,25 - acier kg 200 7, ,00 - eau m 3 0,182 10,00 1,82 - blocs creux 10 x 20 x 50 m² 20 26,67 533,40 - bacs de décantation préfa U , ,00 b) Energie kw/h 1,33 3,00 4,00 - location grue mobile h 5 390, ,00 - montage démontage forfait , ,00 c) Main d œuvre (bétonnier) h 0,17 128,00 21,76 b) Installation : 2 ème silo Montant des frais variables pour 1 m 3 a = 358,58 - transport U 1 750,00 750,00 - main d œuvre h , ,00 - béton m ,00 918,00 - acier kg 100 7,72 772,00 c) Repliement : centrale - main d œuvre h , ,00 - transport U , ,00 d) Repliement : 2 ème silo - main d œuvre h , ,00 - transport U 1 750,00 750,00 Location : centrale à béton mois , ,00 Montant total des frais fixes b = ,40 Seuil de rentabilité : Seuil de rentabilité : X = 2228 m 3 Donc on choisira la solution BFC 10