Chevilles et goujons : Le diable est dans les détails !

Rédaction
21/11/2020

Expert bétons et structures, Paul Acker décrit deux exemples de désordres qui se sont produits sur des ouvrages, car les ingénieurs ignoraient l’existence - ou du moins l’importance - des détails et des limites de l’utilisation de chevilles et de goujons.

Article paru dans Béton[s] le Magazine n° 91

Les chevilles et les goujons sont des technologies qui offrent souvent des solutions pratiques et économiques dans la construction. Mais qui sont aussi très sensibles au respect des détails constructifs, des recommandations de mise en œuvre et des limites d’emploi. Ces derniers figurent bien dans les documents techniques et les présentations commerciales, mais ne sautent pas aux yeux. Voici deux exemples de désordres faisant suite à l’installation de goujons et de chevilles. Le premier porte sur un silo à grains, le second sur l’effondrement d’une dalle de parking.

1 – Les chevilles ne fonctionnent pas au voisinage d’un bord

Si je veux obtenir facilement une écaille de béton, je prends un gros clou et un marteau. Et je frappe le clou à quelques centimètres d’une arête. L’écaille ainsi obtenue sera d’autant plus épaisse et plus volumineuse que l’impact sera éloigné du bord. Le volume et le poids de l’écaille varient comme le cube de cette distance.

Le béton résiste très mal à ce type de sollicitations. Même s’il y a souvent une armature sur l’arête, ou si le béton est fibré. C’est la raison pour laquelle les documents techniques (et la plupart des fiches techniques des fournisseurs) précisent que les chevilles ne doivent pas être utilisées trop près du bord de la pièce. Et ils fournissent des distances minimales en fonction de la taille de la cheville1.

Figure 1 - L’ouvrage est constitué de 8 cylindres en béton en béton de 13 m de diamètre et de 45 m de hauteur (identifiés en vert) et 3 en forme “d’as de carreau” (identifiés en bleu). L’ensemble formant 11 silos à grains.
Figure 1 – L’ouvrage est constitué de 8 cylindres en béton en béton de 13 m de diamètre et de 45 m de hauteur (identifiés en vert) et 3 en forme “d’as de carreau” (identifiés en bleu). L’ensemble formant 11 silos à grains.

Le désordre décrit dans ce premier exemple montre que ces règles peuvent passer au travers du crible formé par l’ensemble des ingénieurs qui voient le projet et/ou le chantier. Cet exemple porte sur un silo à grains, constitué de 8 cylindres en béton de 13 m de diamètre et de 45 m de hauteur [Fig. 1].

Figure 2 - Extrait du plan de la couverture des silos qui montre le détail de la fixation sur le béton des platelages métalliques à l’aide de platines perforées en forme de trapèze.
Figure 2 – Extrait du plan de la couverture des silos qui montre le détail de la fixation sur le béton des platelages métalliques à l’aide de platines perforées en forme de trapèze.

Les 8 cylindres (ainsi que les 3 volumes en forme “d’as de carreau”) étaient couverts par des platelages métalliques. Ceux-ci étaient simplement posés sur le béton brut et fixés par quelques chevilles chimiques et surtout des chevilles à frapper [Fig. 2]. Dans le détail, des platines d’appui (en forme de trapèze) perforées équipent les platelages. Ceci, pour permettre le passage des chevilles. Huit paires de chevilles à frapper M12 pour les platelages en “as de carreau”. Huit paires de chevilles à frapper M12 et 4 paires de chevilles chimiques M20 sur les platelages cylindriques. Afin de permettre les ajustements, les perforations prévues en usine sur les platines d’appui présentent un jeu. Mais avec une orientation qui ne pouvaient pas permettre d’assurer le centrage des chevilles dans l’épaisseur du béton de 22 cm.

Rupture constatée sous les appuis du platelage métallique couvrant un des silos en “as de carreau”. Les ruptures au sommet des silos cylindriques sont tout à fait similaires.
Photo 3 – Rupture constatée sous les appuis du platelage métallique couvrant un des silos en “as de carreau”. Les ruptures au sommet des silos cylindriques sont tout à fait similaires. [©Paul Acker]

Lors des premières vidanges, des blocs de béton se sont détachées et ont endommagé les équipements de transport des grains. Et rendu les grains impropres à la vente [Photo 3].

Pour des raisons liées au très fort risque d’incendie dans les silos, chacun d’eux contient plusieurs capteurs noyés dans les grains. Ces capteurs sont suspendus par Des câbles accrochés au platelage métallique de couverture permettent de suspendre ces captueurs. Lors de chaque vidange, ces capteurs tirent sur les câbles. Ce qui génère des efforts centripètes sur les chevilles. Si le béton a été fissuré ou même seulement fragilisé lors de la frappe de la cheville, cela suffit à arracher une écaille, voire un bloc de béton. Car l’armature présente en tête de voile (2 HA8) n’avait pas été dimensionné dans ce but [Photo 4].

Blocs de béton qui se sont détachés et ont été récupérés à la sortie des silos. Certains portent l’empreinte des chevilles.
Photo 4 – Blocs de béton qui se sont détachés et ont été récupérés à la sortie des silos. Certains portent l’empreinte des chevilles. [©Paul Acker]

2 – Les goujons ne fonctionnent pas toujours dans le même sens !

Figure 5 - Un goujon coulissant est un système mécanique, qui permet d’assurer une liaison, voire l’appui d’un élément de béton armé (une dalle ou une poutre) sur une structure existante. [©Paul Acker]
Figure 5 – Un goujon coulissant est un système mécanique, qui permet d’assurer une liaison, voire l’appui d’un élément de béton armé (une dalle ou une poutre) sur une structure existante. [©Paul Acker]

Le second exemple porte sur l’effondrement d’une dalle de parking, dont la travée de rive s’appuyait sur un ouvrage existant (un parking identique, mais construit 25 ans plus tôt) au moyen de goujons. Cette dalle s’est affaissée de 20 cm de manière brutale. Ce qui a conduit à la fermeture du parking, à la démolition et à la reconstruction de toute la travée.

Figure 6 - Un goujon coulissant est employé notamment pour éviter de doubler un poteau au niveau d’un joint de dilatation. Dans ce cas, ce dispositif comporte deux cages d’armatures de renfort, symétriques. [©Paul Acker]
Figure 6 – Un goujon coulissant est employé notamment pour éviter de doubler un poteau au niveau d’un joint de dilatation. Dans ce cas, ce dispositif comporte deux cages d’armatures de renfort, symétriques. [©Paul Acker]
Figure 7 - Dans le cas du parking en exemple, pour assurer l’appui de la dalle de rive du nouveau parking sur le portique de rive du parking existant, une des cages d’armatures de renfort a été supprimée du côté non coulissant, ce qui a permis d’encastrer et de sceller le dispositif dans les têtes de poteau. [©Paul Acker]
Figure 7 – Dans le cas du parking en exemple, pour assurer l’appui de la dalle de rive du nouveau parking sur le portique de rive du parking existant, une des cages d’armatures de renfort a été supprimée du côté non coulissant, ce qui a permis d’encastrer et de sceller le dispositif dans les têtes de poteau. [©Paul Acker]

Un goujon coulissant est un dispositif [Fig. 5] comprenant un cylindre et un tube métalliques, destiné à assurer la transmission d’un effort tranchant entre deux ouvrages en béton armé2. Ce système permet notamment, le long d’un joint de dilatation, d’économiser des poteaux, voire une poutre de rive [Fig. 6]. Comme il s’agit là d’efforts très concentrés, le dispositif comprend des renforts en acier. Ces derniers assurent le frettage du béton (c’est-à-dire sa résistance à l’éclatement).

Dans cet exemple, deux paires de goujons devaient assurer, sur une longueur de 15 m, l’appui latéral de la première travée du nouveau parking. Ceci, sur les deux poteaux supportant la poutre de rive de l’ancien parking. Pour ce faire, le dispositif a été légèrement modifié : on a supprimé le renfort du côté fixe, on a percé deux trous en tête de chaque poteau, dans lesquels on a scellé les goujons [Fig. 7]. Une opération possible car les armatures des poteaux étaient suffisantes. Et la résistance du béton (âgé de 25 ans) était très élevée. Tous les ancrages des goujons dans ces poteaux ont effectivement très bien résisté [Photo 8]. Ce qui valide, a posteriori, l’adaptation du procédé par suppression d’un renfort. Tel qu’elle a été mise en œuvre dans cet ouvrage.

A la suite de l’effondrement, l’ouvrage a été hydro-démoli. Ce procédé offre l’avantage d’éliminer le béton sans détruire les armatures. Ceci a permis d’observer les armatures qui avaient été disposées autour du goujon, du côté de la travée qui s’était affaissée [Photos 9 et 10]. On constate que l’armature de la zone contenant les goujons ne correspond pas au sens de l’effort tranchant. On voit qu’il est disposé en dessous du goujon et de ses renforts. Ce qui peut sembler intuitif – « Cela porte », ai-je entendu dire -. Alors que l’effort exercé par la dalle sur le goujon a tendance à faire éclater le béton qui se trouve au-dessus de celui-ci.

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Photo 8 – Vue des goujons après démolition complète de la dalle rompue. On voit que l’épaisseur du béton situé au-dessus des goujons (sur lequel les goujons exerçaient un effort dirigé vers le haut) était faible : environ 8 cm. [©Paul Acker]

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Photo 9 – Après hydro-démolition du béton de la dalle effondrée, on observe que les goujons (en jaune) ont fléchi. Juste en dessous, on reconnait le dispositif de renfort qui est décrit sur la Figure 5. [©Paul Acker]

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Photo 10 – On distingue la présence de plusieurs armatures (rouge) en dessous du dispositif de renfort et, a contrario, une faible présence d’aciers (verts) en partie supérieure, alors que c’est cette partie qui est la plus sollicitée. [©Paul Acker]

3 – Quels enseignements peut-on tirer de ces deux exemples ?

Le béton est très sensible aux efforts concentrés et pas seulement à cause de la concentration des contraintes au point d’appui. Mais aussi parce que, derrière un impact ou un effort concentrés, l’épanouissement des contraintes dans le volume du béton génère toujours des forces de traction dans la direction perpendiculaire. Si des armatures (des cerces ou des frettes) ne reprennent pas ces efforts, ceux-ci peuvent conduire à l’éclatement du béton.

Les documentations techniques qui accompagnent ce type de dispositifs doivent être lues attentivement et comprises. Dans l’idéal, elles devraient être rédigées de sorte que les points critiques, les précautions et les limites d’emploi “crèvent les yeux” !

Enfin, quand on cherche des informations sur Internet, on trouve des sites de différentes origines. Souvent très bien présentés, donc convaincants et rassurants. Mais les précautions à prendre et les limites d’emploi sont rarement (et, selon moi, jamais !) mises en avant à la hauteur des risques, qui sont en jeu.

Paul Acker
Expert bétons et structures

1Chevilles de fixation, Guide d’agrément technique européen (ATE) n° 001, CSTB, mai 2009.
2Frédéric Visa, Cours de génie civil – Procédés généraux de construction – Goujons.

Article paru dans Béton[s] le Magazine n° 91

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