Exemple complet d’une poutre en béton armé selon l’Eurocode 2
Exemple complet d’une poutre en béton armé selon l’Eurocode 2 : de l’ELU à la fissuration
Cet article reprend de bout en bout la justification d’une section de poutre en té selon l’Eurocode 2 : aciers de flexion à l’ELU, sections minimale et maximale, contraintes sous charges quasi permanentes, puis calcul direct de l’ouverture des fissures. Il montre sur un même exemple comment s’enchaînent des justifications présentées séparément dans les autres articles de flexion et de fissuration.
Avertissement : exemple de calcul à but pédagogique
Cette page présente un exemple de calcul destiné à l’apprentissage de la justification d’une poutre en béton armé selon l’Eurocode 2. Elle ne constitue pas un outil de dimensionnement d’ouvrages réels.
La feuille traite une section de poutre en té en flexion simple, de portée au moins égale à 3 fois sa hauteur totale, dont la zone comprimée reste dans la table, sans aciers comprimés, pour un béton de 12 à 50 MPa et un acier de 400 à 500 MPa. Elle ne traite ni l’effort tranchant, ni la flèche, ni les dispositions constructives.
NEOGENESIS décline toute responsabilité quant à l’utilisation de ces calculs dans des projets qui ne sont pas contrôlés par NEOGENESIS. Le seul moyen d’engager notre responsabilité est de faire valider ces calculs par nos ingénieurs dans le cadre d’une mission de contrôle technique.
1. Le problème : dimensionner puis vérifier une poutre de bout en bout
Le dimensionnement d’une poutre ne s’arrête pas au calcul des aciers de flexion à l’ELU. Il faut ensuite vérifier que la section ainsi armée se comporte correctement en service, en particulier vis-à-vis de la fissuration.
L’Eurocode 2 propose deux voies pour la fissuration : une vérification sans calcul direct, par tableaux (7.3.3, tableaux 7.2N et 7.3N), ou le calcul de l’ouverture des fissures wk (7.3.4). La feuille applique la seconde.
2. Le mécanisme : ELU par le diagramme rectangulaire, puis section fissurée à l’ELS
Poutre ou poutre-cloison
L’Eurocode 2 (5.3.1(3)) appelle poutre un élément dont la portée est au moins égale à 3 fois la hauteur totale de la section. Sinon, il convient de le considérer comme une poutre-cloison, qui se calcule autrement (bielles et tirants, dispositions de 9.7) : la feuille demande la portée L et ne calcule pas si L < 3 h.
Hypothèses de calcul à l’ELU
- béton : fcd = αcc fck/γc avec αcc = 1 (AN, 3.1.6(1)) et γc = 1,5 ; diagramme rectangulaire de hauteur λx et de contrainte η fcd, avec λ = 0,8 et η = 1 pour fck ≤ 50 MPa (3.1.7(3)) ; raccourcissement ultime εcu3 = 3,5 ‰ (tableau 3.1) ;
- acier : fyd = fyk/1,15, Es = 200 GPa (3.2.7(4)) ; fyk au plus égal à 500 MPa en général (AN, 3.2.2(3)).
Moment réduit, bras de levier et section d’acier
As = MEd / (z σs)zone comprimée dans la table : 0,8 x ≤ h0
Tant que 0,8x ≤ h0, la section se calcule comme un rectangle de largeur beff. Au-delà, il faut un calcul en té, que la feuille ne fait pas.
Sans aciers comprimés, l’acier tendu doit atteindre fyd, c’est-à-dire εs ≥ εyd = fyd/Es :
Pour fyk = 500 MPa, αlim = 0,617 et μlim = 0,372. Au-delà, la feuille ne calcule pas (aciers comprimés nécessaires).
Deux diagrammes de calcul pour l’acier (3.2.7(2))
1. Branche supérieure horizontale
σs = fyd au-delà de la limite élastique, sans nécessité de vérifier la limite de déformation.
2. Branche supérieure inclinée
La contrainte croît de fyd (pour εyd) jusqu’à k fyk/γs (pour εuk), la déformation étant limitée à εud :
- k et εuk dépendent de la classe de ductilité (Annexe C, tableau C.1) : classe A, k ≥ 1,05 et εuk ≥ 2,5 % ; classe B, k ≥ 1,08 et εuk ≥ 5 % ; classe C, k ≥ 1,15 et εuk ≥ 7,5 %. La feuille retient ces minimums.
- La limite εud définit la frontière entre pivot A (acier à εud) et pivot B (béton à 3,5 ‰) : αAB = 3,5/(3,5 + εud) et μAB = 0,8 αAB(1 − 0,4 αAB), soit μAB = 0,102 en classe A, 0,056 en classe B et 0,039 en classe C.
- En pivot A, la déformation de l’acier est bornée à εud : la feuille ne traite pas ce cas avec la branche inclinée.
La branche inclinée donne une contrainte un peu plus élevée, donc une section d’acier un peu plus faible. Sur l’exemple : σs = 451,5 MPa et As,théo = 111,3 cm², contre 115,5 cm² avec la branche horizontale (3,7 % de moins).
Sections minimale et maximale (9.2.1.1)
- bt : largeur moyenne de la zone tendue, réduite à la largeur d’âme bw pour une poutre en té dont la table est comprimée ;
- l’AN retient la première expression de (9.1N) seulement (le plancher 0,0013 bt d n’est pas à retenir) et la valeur recommandée de As,max.
Contraintes à l’ELS (section fissurée)
Le béton tendu est négligé et l’acier est homogénéisé par le coefficient d’équivalence αe. Le guide FD P18-717 admet αe = 15 pour les bétons courants lorsqu’une grande précision n’est pas nécessaire ; la feuille retient cette valeur.
axe neutre dans l’âme : bw y²/2 + [(beff − bw) h0 + αe As] y − [(beff − bw) h0²/2 + αe As d] = 0
σc = Mqp y / I σs = αe Mqp (d − y) / I
Sous charges quasi permanentes, si σc ≤ k2 fck = 0,45 fck, on peut admettre un fluage linéaire (7.2(3), valeur recommandée retenue par l’AN). La feuille s’arrête au-delà.
Ouverture des fissures (7.3.4)
εsm − εcm = [σs − kt (fct,eff/ρp,eff)(1 + αe ρp,eff)] / Es ≥ 0,6 σs/Es
sr,max = k3 c + k1 k2 k4 φ / ρp,eff
- ρp,eff = As/Ac,eff, avec Ac,eff = bw hc,ef et hc,ef = min[2,5 (h − d) ; (h − y)/3 ; h/2] (7.3.2(3), figure 7.1) ; la largeur bw suppose que hc,ef reste dans l’âme (hc,ef ≤ h − h0), la feuille ne calcule pas au-delà ;
- As ne compte que les barres situées dans Ac,eff (AN, 7.3.4(2)) : la feuille déduit de s, φ et c la disposition la plus compacte des lits et ne calcule pas si le lit supérieur sort de hc,ef ;
- αe = Es/Ecm dans cette formule (et non 15), Ecm = 22 [(fck + 8)/10]0,3 GPa et fct,eff = fctm = 0,30 fck2/3 (tableau 3.1), fissuration supposée après 28 jours ;
- kt = 0,4 (chargement de longue durée), k1 = 0,8 (barres à haute adhérence), k2 = 0,5 (flexion), k4 = 0,425 ;
- k3 = 3,4 pour c ≤ 25 mm et k3 = 3,4 (25/c)2/3 au-delà (AN, 7.3.4(3)) : c’est la valeur à utiliser, pas une option ; pour c = 40 mm, k3 = 2,49 ;
- c est l’enrobage des barres longitudinales, au moins égal à leur diamètre et à 10 mm (4.4.1.2, tableau 4.2) ; l’entraxe s laisse une distance libre au moins égale à max(φ ; 20 mm) (8.2(2)) ; la feuille vérifie aussi que les barres saisies tiennent dans l’âme et que leur centre de gravité est compatible avec d ;
- si l’entraxe des barres dépasse 5 (c + φ/2), l’AN retient la plus grande des valeurs données par (7.11) et par sr,max = 1,3 (h − y) (7.14).
L’ouverture calculée est comparée à wmax du tableau 7.1NF de l’AN (combinaison quasi permanente, béton armé) : 0,40 mm en X0 et XC1, 0,30 mm en XC2 à XC4, 0,20 mm en XD et XS. En X0 et XC1, sauf demande spécifique des documents particuliers du marché, l’AN suppose la maîtrise de la fissuration assurée par les dispositions constructives minimales (note (2) du tableau). Pour les bâtiments de catégories d’usage A à D en XC2 à XC4, l’AN admet, sauf demande des documents particuliers du marché, que la maîtrise de la fissuration est assurée par les dispositions constructives minimales (note (3) du tableau). Pour les poutres de plus de 2 m de hauteur, la maîtrise de la fissuration relève de la NF EN 1992-2 ou de la NF EN 1992-3 : la feuille refuse ce cas.
Notations
| beff, bw, h0, h, d | largeur participante de la table, largeur d’âme, épaisseur de table, hauteur totale, hauteur utile |
| L | portée de la poutre (classement poutre ou poutre-cloison) |
| MEd, Mqp | moment de calcul à l’ELU, moment sous combinaison quasi permanente |
| μ, α, x, z | moment réduit, hauteur relative et hauteur de l’axe neutre à l’ELU, bras de levier |
| εcu3, εyd, εuk, εud | raccourcissement ultime du béton (3,5 ‰), déformation élastique de calcul de l’acier, allongement caractéristique sous charge maximale, allongement limite de calcul |
| As | section d’armatures tendues |
| y, I, αe | axe neutre et inertie de la section fissurée à l’ELS, coefficient d’équivalence |
| ρp,eff, sr,max, wk | taux d’armature effectif, espacement maximal des fissures, ouverture calculée |
3. Les étapes de la justification
- Domaine : poutre et non poutre-cloison (L ≥ 3 h), enrobage et entraxe minimaux, barres compatibles avec la largeur d’âme et la hauteur utile.
- ELU flexion : moment réduit, domaine (μ < μlim, zone comprimée dans la table), hauteur comprimée, section d’aciers selon le diagramme choisi.
- Section mise en place : besoin ELU, sections minimale et maximale.
- ELS : axe neutre et inertie de la section fissurée, contraintes σc et σs, limite de fluage linéaire.
- Fissuration : calcul direct de wk et comparaison à wmax.
L’exemple traité
| Section | beff = 2,00 m, bw = 0,55 m, h0 = 0,15 m, h = 1,25 m, d = 1,10 m |
| Portée | L = 15,00 m (hypothèse de l’exemple ; seule la condition L ≥ 3 h = 3,75 m intervient) |
| Matériaux | béton fck = 35 MPa, acier fyk = 500 MPa de classe B |
| Sollicitations | MEd = 5 255 kN·m ; Mqp = 2 695 kN·m |
| Armatures | 15 HA32 (trois lits de cinq barres, entraxe 110 mm), As = 120,64 cm², enrobage c = 40 mm |
| Exposition | XC3, wmax = 0,30 mm |
Eurocode 2, ELU. μ = 0,0931 < μlim = 0,372, α = 0,1223, x = 13,45 cm et 0,8x = 10,76 cm ≤ h0 : la zone comprimée reste dans la table. z = 104,62 cm et, avec la branche horizontale, As,théo = 115,5 cm².
Les 15 HA32 (120,64 cm²) couvrent ce besoin et respectent As,min = 10,1 cm² et As,max = 362 cm². L’exemple conserve d = 1,10 m ; trois lits de HA32 espacés d’un diamètre placent le centre de gravité des aciers à 12 cm de la fibre inférieure, soit d ≈ 1,13 m, ce qui laisse d = 1,10 m du côté de la sécurité.
Eurocode 2, ELS. L’axe neutre de la section fissurée est dans l’âme, y = 41,92 cm, I = 0,1236 m⁴. σc = 9,14 MPa ≤ 0,45 fck = 15,75 MPa et σs = 222,7 MPa.
hc,ef = min(375 ; 276,9 ; 625) = 276,9 mm, c’est le terme (h − y)/3 qui gouverne. ρp,eff = 0,0792, k3 = 2,49, l’entraxe de 110 mm est inférieur à 5(c + φ/2) = 280 mm, d’où sr,max = 168,1 mm et wk = 0,167 mm ≤ 0,30 mm.
La feuille affiche « Toutes les vérifications sont satisfaites ». L’exemple d’origine comptait 14 HA32 (112,56 cm²) : c’est suffisant avec la branche inclinée (111,3 cm²), pas avec la branche horizontale (115,5 cm²) ; il a donc été porté à 15 HA32.
La poutre ayant plus de 1 m de hauteur, des armatures de peau sont à prévoir (7.3.3(3)) ; la feuille ne les dimensionne pas.
4. Ce qu’il faut retenir
- La frontière entre pivots A et B n’a de sens qu’avec la branche inclinée de l’acier : μAB vaut 0,102, 0,056 ou 0,039 selon la classe de ductilité A, B ou C. Avec la branche horizontale, la déformation de l’acier n’a pas à être limitée.
- La limite utile sans aciers comprimés est μlim (0,372 pour fyk = 500 MPa) : au-delà, l’acier tendu ne travaille plus à fyd.
- Dans hc,ef, il faut évaluer les trois termes du minimum : sur l’exemple, c’est (h − y)/3 qui gouverne, pas 2,5 (h − d).
- Pour un enrobage supérieur à 25 mm, l’AN impose k3 = 3,4 (25/c)2/3 dans sr,max, ce qui réduit l’ouverture calculée : sur l’exemple, sr,max = 168,1 mm au lieu de 204,7 mm avec k3 = 3,4.
- Deux coefficients d’équivalence différents interviennent : αe = 15 pour les contraintes (simplification du FD P18-717) et αe = Es/Ecm dans la formule de εsm − εcm (7.3.4(2)).
5. Références
- NF EN 1992-1-1 (Eurocode 2) : 4.4.1.2 et tableau 4.2 (enrobage minimal), 5.3.1(3) (poutre et poutre-cloison), 8.2(2) (distance libre entre barres), 3.1.7(3) (diagramme rectangulaire), tableau 3.1 (fctm, Ecm, εcu3), 3.2.7 (diagrammes de calcul des aciers, figure 3.8), 7.2 (limitation des contraintes), 7.3.2 à 7.3.4 (maîtrise de la fissuration, calcul de l’ouverture des fissures), 9.2.1.1 (sections minimale et maximale), Annexe C (propriétés des armatures).
- Annexe nationale française NF EN 1992-1-1/NA (mars 2016) : 3.1.6(1) (αcc = 1), 3.2.2(3) (fyk ≤ 500 MPa en général), 3.2.7(2) (εud), 7.2(3) (k2), 7.3.1(5) (tableau 7.1NF), 7.3.4(2) (barres situées dans Ac,eff), 7.3.4(3) (k3, k4 et espacement), 9.2.1.1 (As,min, As,max).
- FD P18-717 (guide d’application des NF EN 1992) : coefficient d’équivalence pour les contraintes à l’ELS (commentaire de 7.2 et 7.3).
NEOPEDIA · en pratique
Nos ingénieurs recommandent, lorsque la vérification de la fissuration par tableaux ne suffit pas, de documenter dans la note de calcul le calcul direct de l’ouverture des fissures, avec les trois termes de hc,ef et le coefficient k3 de l’annexe nationale, plutôt que de s’en tenir à un ferraillage « habituellement suffisant ».
6. Feuille de calcul
Poutre en té : de l’ELU à la fissuration (Eurocode 2)
Les valeurs sont à titre indicatif. Modifiez-les pour voir l’influence de chaque paramètre ; le calcul se met à jour immédiatement. Feuille valable pour une section de poutre en té (portée au moins égale à 3 fois la hauteur) en flexion simple, table comprimée, sans aciers comprimés, calculée selon la NF EN 1992-1-1 et son annexe nationale française.
| Géométrie | ||
|---|---|---|
| beff : largeur participante de la table (5.3.2.1) | m | |
| bw : largeur d’âme | m | |
| h0 : épaisseur de la table | m | |
| h : hauteur totale de la poutre | m | |
| d : hauteur utile | m | |
| L : portée de la poutre poutre si L ≥ 3 h, sinon poutre-cloison (5.3.1(3)) | m | |
| Matériaux | ||
| fck : résistance caractéristique du béton | MPa | |
| fyk : limite d’élasticité caractéristique des aciers | MPa | |
| Classe de ductilité des aciers (Annexe C) | ||
| fcd = fck/1,5 (αcc = 1) ; fyd = fyk/1,15 | MPa | |
| εud = 0,9 εuk | ‰ | |
| Sollicitations | ||
|---|---|---|
| MEd : moment de calcul à l’ELU | kN·m | |
| Mqp : moment sous combinaison quasi permanente | kN·m | |
| Armatures tendues mises en place | ||
| Diagramme de calcul des aciers (3.2.7(2)) | ||
| As : section d’aciers mise en place | cm² | |
| φ : diamètre des barres (HA) | mm | |
| c : enrobage des armatures longitudinales ≥ φ et ≥ 10 mm (4.4.1.2) | mm | |
| s : entraxe des barres tendues d’un même lit distance libre s − φ ≥ max(φ ; 20 mm), 8.2(2) | mm | |
| Fissuration | ||
| Classe d’exposition (AN, tableau 7.1NF) | ||
| αe : coefficient d’équivalence pour les contraintes = 15 (FD P18-717, bétons courants) | ||
| k3 = 3,4 si c ≤ 25 mm, 3,4 (25/c)2/3 sinon (AN 7.3.4(3)) | ||
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