Moments des poutres continues : méthodes forfaitaire et de Caquot, redistribution de l’Eurocode 2
Moments sur appuis et en travée des poutres continues : méthodes forfaitaire et de Caquot, redistribution de l’Eurocode 2
Sur une poutre continue, le moment qui dimensionne l’appui et celui qui dimensionne chaque travée ne proviennent pas du même cas de charge. Le BAEL traite cette difficulté par deux méthodes simplifiées calibrées : la méthode forfaitaire, sous des conditions d’application strictes, et la méthode de Caquot. L’Eurocode 2 part d’une analyse élastique par cas de charge, puis autorise une redistribution limitée des moments sur appui, sous une condition de ductilité. Cet article présente ces méthodes sur un même exemple de poutre à deux travées.
Avertissement : exemple de calcul à but pédagogique
Cette page présente un exemple de calcul destiné à l’apprentissage des méthodes de calcul des moments de continuité. Il ne constitue pas un outil de dimensionnement d’ouvrages réels et se limite à une poutre continue à deux travées (ou une bande de dalle portant dans un seul sens), d’inertie constante, sous charges uniformément réparties sur toute la longueur de chaque travée. L’élément doit être une poutre au sens des règles : hauteur inférieure à la moitié de la portée libre en BAEL (au-delà, paroi fléchie, annexe E.5.0) et portée au moins égale à trois fois la hauteur en Eurocode 2 (5.3.1(3), sinon poutre-cloison) ; la feuille ne calcule pas hors de ce domaine.
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 : quel moment retenir sur l’appui, quel moment en travée ?
Le moment sur l’appui intermédiaire est maximal lorsque les deux travées reçoivent la charge d’exploitation.
Le moment maximal d’une travée est obtenu, au contraire, lorsque cette travée seule est chargée : la travée voisine, déchargée, retient moins l’appui.
Utiliser le même cas de charge partout sous-estime donc l’un ou l’autre de ces moments.
2. Le mécanisme : trois méthodes, deux référentiels
BAEL 91 révisé 99 : méthodes simplifiées des planchers (article B.6.2,2)
Ces méthodes s’appliquent aux poutres d’un plancher avec dalle générale et aux dalles portant dans un seul sens ; elles tiennent compte des redistributions admissibles. Elles ne s’appliquent pas aux poutres n’appartenant pas à un plancher (article B.6.2,20). Les portées sont mesurées entre nus des appuis en béton, sections d’appui vérifiées aux nus (article B.6.1,1).
Méthode forfaitaire (article B.6.2,21, annexe E.1). Conditions d’application :
- charge d’exploitation modérée : au plus deux fois la charge permanente ou 5 kN/m² (article B.2.1) ; la feuille, qui reçoit des charges linéiques, ne contrôle que q ≤ 2g et applique la méthode de Caquot dès que q > 2g, même si la charge surfacique ne dépasse pas 5 kN/m² (Caquot reste admise, article B.6.2,220) ;
- moments d’inertie identiques dans les travées en continuité ;
- portées successives dans un rapport compris entre 0,8 et 1,25 ;
- fissuration ne compromettant pas la tenue du béton armé ni de ses revêtements.
Avec M0 le moment maximal de la travée indépendante de même portée libre et α = Q/(G + Q), les moments retenus doivent vérifier, pour une poutre à deux travées (travées de rive) :
Mt ≥ (1,2 + 0,3α) M0/2
MB ≥ 0,60 M0 annexe E.1 ; sur l’appui, la plus grande des valeurs évaluées de part et d’autre
Méthode de Caquot (article B.6.2,22, annexe E.2). Elle s’applique aux planchers à charge d’exploitation relativement élevée, et aussi aux planchers à charge modérée lorsqu’une des conditions de la méthode forfaitaire n’est pas remplie. Pour des travées d’inertie égale, le moment au nu de l’appui vaut :
Les cas de charge sont 1,35 G dans toutes les travées et 1,5 Q ou 0 dans chacune (article B.6.2,32). Le moment en travée se lit sur la courbe de la travée indépendante, fermée par les moments d’appui (annexe E.2.2,2).
Eurocode 2 : analyse élastique et redistribution limitée (NF EN 1992-1-1, 5.4 et 5.5)
Pour deux travées d’inertie constante articulées à leurs extrémités, le théorème des trois moments donne directement le moment sur l’appui B (portées entre axes) :
Les cas de charge combinent les dispositions de 5.1.3 (deux travées chargées, une seule travée chargée) et les coefficients du Tableau A1.2(B)(NF) de l’annexe nationale de NF EN 1990 : 1,5 sur la charge d’exploitation des travées chargées, 1,35 ou 1,00 sur la charge permanente, avec le même coefficient sur toute la poutre pour le poids propre (note 3 du Tableau A1.2(B)).
Les moments élastiques peuvent ensuite être redistribués à l’ELU, la nouvelle distribution devant équilibrer les charges appliquées (5.5(3)). Sans vérification explicite de la capacité de rotation, la redistribution est admise dans les poutres et dalles continues sollicitées principalement en flexion, dont le rapport des portées adjacentes est compris entre 0,5 et 2, si (5.5(4), valeurs recommandées retenues par l’annexe nationale) :
δ est le rapport du moment après redistribution au moment élastique, xu la profondeur de l’axe neutre à l’ELU après redistribution. L’annexe nationale précise que δ peut être choisi différent selon le cas de charge.
Le moment de calcul sur l’appui dépend de la liaison :
- liaison monolithe : moment au nu de l’appui (5.3.2.2(3)) ; la redistribution est alors calculée sur les moments au nu (guide FD P18-717, commentaire de 5.3.2.2(2)) ;
- appui ne créant pas de gêne à la rotation (poutre posée sur une maçonnerie, par exemple) : moment dans l’axe minoré de ΔMEd = FEd,sup t/8 (5.3.2.2(4), expression 5.9), t étant la profondeur de l’appui ; la redistribution se calcule sur les moments dans l’axe.
Ces deux traitements ne se cumulent pas. La note de 5.3.2.2(3) (moment au nu au moins égal à 0,65 fois le moment d’encastrement) ne concerne pas les poutres continues dont la raideur des poteaux n’est pas prise en compte (guide FD P18-717).
Et les méthodes du BAEL en Eurocode 2 ?
- La méthode forfaitaire ne peut pas être directement rattachée aux principes de NF EN 1992-1-1 : selon le guide FD P18-717 (commentaire de 5.6.1(3)P, II), elle reste du domaine du prédimensionnement et de la vérification d’ouvrages, pas du dimensionnement.
- La méthode de Caquot est admise comme méthode d’analyse plastique (guide FD P18-717, commentaire de 5.6.1(3)P, IV), sous les conditions de 5.6.2(2) : xu/d limité, armatures de classe B ou C. La feuille ne la calcule pas en mode Eurocode 2.
Notations
| l1, l2 | portées entre axes des deux travées |
| ln1, ln2 | portées libres entre nus des appuis (BAEL), lni = li − a |
| a | largeur des appuis (profondeur t de l’appui B en Eurocode 2) |
| g, q | charge permanente (poids propre compris) et charge d’exploitation réparties |
| pu | charge de calcul d’une travée chargée, 1,35 g + 1,5 q |
| M0 | moment maximal de la travée indépendante de comparaison (méthode forfaitaire) |
| MB, Mw, Me | moment sur l’appui intermédiaire B ; moments sur les appuis de gauche et de droite d’une travée (valeurs absolues) |
| Mt | moment maximal en travée |
| δ | rapport du moment redistribué au moment élastique |
| b, h, d | largeur, hauteur totale, hauteur utile de la section sur l’appui B |
| xu | profondeur de l’axe neutre à l’ELU après redistribution |
3. Les étapes de la justification
BAEL 91.
- Charges (1,35 G + 1,5 Q sur les travées chargées, 1,35 G sur les autres) et portées libres entre nus.
- Contrôle des conditions de la méthode forfaitaire.
- Méthode forfaitaire si elle s’applique, méthode de Caquot sinon : moment au nu de l’appui B, moments maximaux en travée.
Eurocode 2.
- Six cas de charge et moments élastiques sur l’appui B.
- Redistribution de rapport δ, puis moment de calcul sur l’appui : au nu (liaison monolithe) ou écrêté (autre liaison).
- Moments maximaux en travée, au point d’effort tranchant nul, en équilibre avec les moments redistribués.
- Condition de ductilité de 5.5(4), avec xu/d de la section d’appui armée au plus juste.
Exemple traité
| Géométrie | l1 = 5,00 m ; l2 = 4,00 m (entre axes) ; appuis de largeur a = 0,20 m ; liaison monolithe |
| Charges | g = 30 kN/m ; q = 20 kN/m ; pu = 70,50 kN/m ; 1,35 g = 40,50 kN/m |
| Section sur appui (Eurocode 2) | b = 0,30 m ; h = 0,50 m ; d = 0,45 m ; fck = 25 MPa ; armatures de classe B ; δ = 0,70 |
BAEL 91. Les portées libres valent 4,80 m et 3,80 m : leur rapport, 0,792, est inférieur à 0,8. La méthode forfaitaire ne s’applique pas ; la méthode de Caquot donne MB = 159,6 kN·m au nu de l’appui, Mt1 = 140,3 kN·m et Mt2 = 76,6 kN·m.
À titre de comparaison, avec l2 = 4,10 m (rapport 0,813), la méthode forfaitaire s’applique : MB = 121,8 kN·m, Mt1 = 166,5 kN·m et Mt2 = 109,9 kN·m.
Eurocode 2. Le moment élastique maximal sur l’appui vaut 185,1 kN·m dans l’axe (deux travées chargées). Avec δ = 0,70 appliqué au nu, le moment de calcul sur l’appui vaut 123,6 kN·m au nu (cas « travée 1 chargée », côté de la travée 2). En travée, Mt1 = 158,1 kN·m et Mt2 = 82,3 kN·m.
Condition de ductilité : xu/d = 0,163, d’où 0,44 + 1,25 × 0,163 = 0,644 ≤ δ = 0,70 ; la redistribution est admise.
Sans redistribution (δ = 1), le moment au nu vaut 166,7 kN·m et Mt1 = 148,2 kN·m. Pour une liaison non monolithe avec δ = 0,70, le moment écrêté vaut 122,8 kN·m et Mt1 = 160,3 kN·m.
BAEL 91 et Eurocode 2 : ce qui change, ce qui ne change pas
1. Les portées
Le BAEL calcule sur les portées entre nus des appuis en béton ; l’Eurocode 2 sur les portées utiles, égales ici aux portées entre axes (5.3.2.2(1)), puis ramène le moment au nu pour une liaison monolithe.
2. Les cas de charge
Le BAEL retient 1,35 G partout (article B.6.2,32). L’Eurocode 2 envisage aussi 1,00 G sur toute la poutre (Tableau A1.2(B)(NF)).
3. La redistribution
Les méthodes du BAEL incorporent des redistributions forfaitaires, sous leurs conditions d’application. L’Eurocode 2 laisse choisir δ, cas de charge par cas de charge, mais impose de le justifier par la ductilité de la section (5.5(4)) et d’en tenir compte dans tout le dimensionnement (5.5(1)P).
4. Les résultats
Sur l’exemple, le moment sur appui vaut 159,6 kN·m (Caquot) contre 123,6 kN·m (Eurocode 2, δ = 0,70) ; le moment de la grande travée vaut 140,3 kN·m contre 158,1 kN·m. Aucune des deux méthodes n’enveloppe l’autre : il faut retenir une seule méthode cohérente pour tout le calcul d’un ouvrage.
4. Ce qu’il faut retenir
- Le moment d’appui (deux travées chargées) et le moment de travée (travée seule chargée) proviennent de cas de charge différents : les deux doivent être calculés.
- En BAEL, la méthode forfaitaire exige des portées successives dans un rapport de 0,8 à 1,25, mesurées entre nus : l’exemple, à 0,792, en sort et relève de la méthode de Caquot.
- En Eurocode 2, la redistribution s’applique à tous les cas de charge concernés : redistribuer le seul cas « deux travées chargées » laisserait sur l’appui le moment élastique du cas « travée 1 chargée » (158,4 kN·m dans l’axe), supérieur au moment redistribué.
- Le moment maximal en travée se calcule au point d’effort tranchant nul, en équilibre avec le moment d’appui redistribué ; la valeur au milieu de la travée le sous-estime.
- La redistribution se justifie par la ductilité : xu/d de la section d’appui et classe des armatures (5.5(4)).
5. Références
- Règles BAEL 91 révisées 99 (DTU P18-702) : articles A.3.3, B.2.1, B.6.1,1, B.6.1,21, B.6.2,2 (B.6.2,20 à B.6.2,32), B.6.8,1, annexes E.1 (méthode forfaitaire), E.2 (méthode de Caquot) et E.5.0 (définition des parois fléchies).
- NF EN 1992-1-1 (Eurocode 2) et son annexe nationale : 5.1.3, 5.3.1(3), 5.3.2.2, 5.4, 5.5 et note nationale de 5.5(4).
- FD P18-717 (guide d’application des NF EN 1992) : commentaires de 5.3.2.2, 5.5(2) et 5.6.1(3)P.
- NF EN 1990 et son annexe nationale : Tableau A1.2(B) et Tableau A1.2(B)(NF).
NEOPEDIA · en pratique
Pour les poutres à plus de deux travées, nos ingénieurs vérifient d’abord les conditions d’application de la méthode retenue : rapport des portées entre nus, niveau des charges d’exploitation, égalité des inerties, cas de charge envisagés. En Eurocode 2, la méthode de Caquot reste utilisable comme méthode d’analyse plastique admise par le guide FD P18-717, sous les conditions de ductilité de 5.6.2(2).
6. Feuille de calcul
Poutre continue à deux travées : moments sur appui et en travée
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 poutre continue à deux travées (ou une bande de dalle portant dans un seul sens, b = 1 m), d’inertie constante, sous charges uniformément réparties sur toute la longueur de chaque travée. Le bouton en haut à droite bascule entre le BAEL 91 révisé 99 (méthode forfaitaire ou méthode de Caquot) et l’Eurocode 2 (analyse élastique avec redistribution limitée).
| Géométrie et charges | ||
|---|---|---|
| l1 : portée de la travée 1 (entre axes) | m | |
| l2 : portée de la travée 2 (entre axes) | m | |
| g : charge permanente répartie (poids propre compris) | kN/m | |
| q : charge d’exploitation répartie | kN/m | |
| a : largeur des appuis (poteaux ; appui B et appuis de rive) | m | |
| h : hauteur totale de la poutre (épaisseur pour une dalle) | m | |
| Liaison avec l’appui B | ||
| Conditions de la méthode forfaitaire (BAEL) | ||
| Moments d’inertie des deux travées | ||
| Fissuration (B.6.2,210) | ||
| Section sur l’appui B et redistribution (Eurocode 2) | ||
|---|---|---|
| b : largeur de la section (1 m pour une dalle) | m | |
| d : hauteur utile sur appui | m | |
| fck : résistance caractéristique du béton | MPa | |
| Classe de ductilité des armatures | ||
| δ : rapport de redistribution sur B au nu pour une liaison monolithe, dans l’axe sinon ; 0,7 (classe B ou C) ou 0,8 (classe A) à 1 | – | |
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