Modélisation du comportement des dallages industriels

Ce travail de recherche s’inscrit dans un cadre théorique et numérique. Il vise à proposer et à valider une modélisation fine des dallages pour le calcul des déplacements et des contraintes créés par des chargements de courte et de longue durée. On ne s’intéressera qu’au cas particulier des dallages industriels rigides en béton non armé. Cette recherche se situe dans un contexte global, visant à améliorer les règles de dimensionnement des dallages existants actuellement utilisées en France. Le dallage apparaît comme une structure simple, qu’il s’agisse de bâtiments industriels ou de grandes surfaces commerciales. En apparence, c’est une couche mince de béton étalée sur le sol. Actuellement, les pathologies des dallages sont la première cause de sinistres en France. Un nouveau texte de normalisation a été établi depuis mars 2005 (le DTU 13-3, AFNOR, 2006) et comprend des calculs justificatifs de la résistance et du comportement des dallages. La méthode de cette norme parait extrêmement complexe ; elle est basée sur les théories de Boussinesq et de Westergaard, ainsi que sur des extrapolations arbitraires, sans validation théorique ni expérimentale. Le modèle de calcul souhaité doit être complet : par exemple, il doit permettre d’associer aux chargements surfaciques et au chargement volumique du poids propre, le chargement qui résulte des champs de température intense et de l’effet du retrait propre du béton. Il est en effet connu que les effets du retrait et de la température influencent fortement le comportement des dallages et contribuent aux sollicitations et aux déformations supportées par le dallage. On trouve bien, selon le modèle de Westergaard, une solution analytique au problème de la plaque mince reposant sur un massif caractérisé par son coefficient de réaction, et sollicitée par une charge au centre, en coin et au bord. Mais il est difficile d’accepter le concept du coefficient de réaction du sol, appliqué à la structure de fondation d’un dallage en béton. De plus, la détermination du module de réaction pose problème. D’autres travaux théoriques ont visé la détermination des sollicitations internes dans un massif, sous l’effet de charges verticales appliquées à la surface, tels les travaux de Boussinesq. Pour le cas des dallages, il a fallu introduire d’autres extensions du modèle de Boussinesq, tels que la prise en compte des conditions d’interface entre le dallage et le massif sous-jacent. Si ces méthodes se justifient bien pour le dimensionnement des dallages, l’hypothèse de continuité de la structure est loin de refléter la réalité, car un dallage est discontinu par nature, en raison des joints ou des fissures transversales qu’il présente. Ces limitations des modèles analytiques ont conduit à adopter ici la méthode de calcul aux éléments finis. Dans les modélisations effectuées, les matériaux constitutifs seront considérés comme élastiques, linéaires et isotropes. Malgré la simplicité de la mise en œuvre du modèle, qui résulte de ce choix, le problème à résoudre est en réalité beaucoup plus complexe. Cette complexité provient de la discontinuité du dallage, mais également des déformations (souvent inconnues) dues à la de température non uniforme sur l’épaisseur du dallage. Les déformations du dallage proviennent également du retrait du béton en interaction avec le sol support, et dépendent du positionnement des charges. Le problème mécanique à résoudre devient alors un problème non linéaire de contact tridimensionnel, où la surface d’appui finale du dallage sur sa fondation est a priori partielle et inconnue.

Un dallage est un ouvrage plan, de grande surface et de faible épaisseur, reposant sur un sol auquel il transmet les actions qui lui sont directement appliquées. Il est important de définir exactement le dallage à mettre en œuvre tant au niveau du support que du corps du dallage sans négliger aucun paramètre tels que les joints divers, le choix du type de finition ou de revêtement. Les bureaux d’études, lors de la réalisation des bâtiments, examinent avec attention tous les problèmes liés aux mauvaises conceptions des éléments porteurs et négligent ceux que posent les dallages. Cette attitude se justifie par le fait qu’un effondrement de la structure peut entraîner des dangers mortels. Le nombre de sinistres de dallages industriels est important. Les désordres peuvent perturber sinon arrêter complètement l’exploitation de l’ouvrage. Il faut savoir que si la réparation d’un dallage n’est pas impossible, elle entraîne un coût important ; de plus, les remèdes expéditifs de type injection de résine en cas de fissuration ne permettent de résoudre que des cas limités.

Il s’est avéré que les dallages sont actuellement les ouvrages qui sont la première cause de sinistres ou malentendus entre maîtres d’ouvrage, entreprises et ses bureaux d’étude. Dans ce qui suit les principales règles de conception et quelques désordres pouvant affecter les dallages sont décrits.

C’est un ouvrage constitué d’un corps de dallage en béton reposant sur un sol par l’intermédiaire d’une interface ou forme.

La couche de forme peut être la couche de sol sous-jacente si cette dernière présente des caractéristiques mécaniques suffisantes pour supporter le dallage. Dans le cas contraire, elle est réalisée à partir d’autres apports comprenant des matériaux de qualité appropriée ou suffisamment compactés. Le sol support doit satisfaire à des critères bien spécifiés et doit être le sujet d’un procèsverbal de réception à partir d’essais appropriés. Un dallage industriel couvre généralement une surface importante. Le rapport élevé surface/volume leur confère une grande sensibilité aux échanges avec l’environnement. Pour limiter les désordres liés aux variations dimensionnelles du béton, ils sont découpés en panneaux de dimensions plafonnés. Ils sont séparés par des joints de construction, au minimum, mais souvent des joints de retrait et des joints de dilatation .

Les joints de retrait ont pour intérêt de limiter les désordres associés aux variations dimensionnelles du béton sous l’effet des variations thermiques et hydriques. Les espacements des joints sont calculés sur la base de données empiriques en fonction de l’épaisseur du corps du dallage. De manière générale, la diagonale des panneaux ne dépasse pas 7m pour les dallages non couverts et 8.5 m pour ceux qui sont sous abri. Le remplissage des joints est systématique et un entretien régulier est exigé (CSTB, 2005). Les joints de dilatation sont réservés aux dallages non couverts et aux locaux à haute température. Ils sont destinés à permette au dallage de se dilater librement (ADETS, 2005). Les joints de désolidarisation sont réalisés pour dissocier les dallages de certains éléments de construction qui risquent de gêner leurs déformations.

On classe souvent les dallages suivant leur domaine d’application. On distingue les dallages à usage industriel, commercial, à usage d’habitation et à usages spéciaux (patinoires…). Dans ce document on ne s’intéresse qu’au dallage à usage industriel vu qu’il est de grande surface et qu’il est soumis à des charges importantes. Ce type de dallage est sujet à plusieurs types de pathologie, ce qui constitue un enjeu économique majeur puisque les coûts de réparation des sinistres associés sont souvent disproportionnés par rapport au coût de réalisation de l’ouvrage.

Le béton du dallage peut être armé, dans ce cas il comporte des armatures ayant une fonction structurelle et son dimensionnement obéit aux règles classiques de dimensionnement des ouvrages en béton armé (fondations superficielles). On réalise aussi des dallages dits « non armés » ou autorésistants ; dans ce cas ils sont dimensionnés en fonction des propriétés du béton. Ils peuvent alors contenir un pourcentage d’acier (treillis etc…) qui n’entre pas dans le dimensionnement. D’autres solutions existent : les dallages en béton renforcé de fibres métalliques constituent une alternative mais aucun texte normatif n’existe pour leur dimensionnement. Ces dallages sont calculés a priori comme les dallages non armés.