ELS et ELU dans le béton armé : guide des états limites
Dans la conception des structures en béton armé, respecter les normes de sécurité et de performance est fondamental pour assurer la durabilité et la fiabilité des ouvrages. Un ouvrage doit, durant toute sa durée d’utilisation, présenter des sécurités appropriées pour éviter toute forme de ruine ou de dysfonctionnement pouvant affecter son exploitation, sa durabilité, son aspect ou encore le confort de ses usagers. Ces exigences sont évaluées à travers la méthode de calcul aux états limites, qui se divise en deux catégories principales : les États-Limites de Service (ELS) et les États-Limites Ultimes (ELU).
États-Limites de Service (ELS)
La formule pour l'ELS
La formule associée à l’ELS est la suivante :
Ns = Q + G
Ns : Charge de service, correspondant à la somme des charges appliquées dans des conditions normales d’utilisation.
Q : Charge variable, qui inclut les charges d’exploitation telles que le mobilier, les personnes, ou encore la neige sur une toiture.
G : Charge permanente, comprenant le poids propre de la structure, les cloisons fixes, les revêtements, etc.
Les États-Limites de Service (ELS) correspondent à des états où la structure subit des dommages limités ou atteint des conditions au-delà desquelles elle ne peut plus remplir ses fonctions d’utilisation normale. Ces états concernent les critères d’utilisation courante, tels que :
- Fissuration : La fissuration est un phénomène courant dans les structures en béton armé. Bien que certaines fissures soient acceptables, leur ouverture doit être contrôlée pour éviter la pénétration d’agents corrosifs qui pourraient réduire la durabilité de la structure. Le dimensionnement prend en compte la nécessité de limiter les fissurations en ajustant le pourcentage d’armatures et en contrôlant les distances entre celles-ci.
- Déformation : Les déformations sont les changements de forme ou de dimensions d’une structure sous l’effet de charges. Des déformations excessives peuvent nuire au fonctionnement des éléments structuraux, compromettre l’esthétique de l’ouvrage, ou provoquer des dysfonctionnements (par exemple, des portes et fenêtres qui ne s’ouvrent plus correctement). Les critères de calcul sont basés sur des déformations admissibles, afin de garantir la sécurité, la fonctionnalité et le confort des usagers.
- Vibration : Les vibrations peuvent provenir de diverses sources, comme le trafic, les équipements mécaniques, ou les activités humaines. Les vibrations excessives peuvent causer de l’inconfort pour les occupants ou même des dommages structurels. Le dimensionnement doit inclure des mesures pour contrôler ces vibrations, en veillant à ce que les éléments structuraux amortissent ou isolent les vibrations.
- Durabilité : La durabilité est la capacité de la structure à résister aux effets du temps et des conditions environnementales sans subir de dégradation excessive. Le dimensionnement intègre des stratégies pour assurer la durabilité, comme la protection des armatures contre la corrosion, la résistance du béton aux agents chimiques, et la capacité de la structure à résister aux cycles de gel et de dégel.
Les calculs des ELS se basent sur des contraintes ou des déformations admissibles, et les vérifications s’appuient sur plusieurs critères essentiels :
Limitation des contraintes en service : S’assurer que les contraintes dans les matériaux sous l’effet des charges d’exploitation ne dépassent pas des valeurs admissibles pour éviter tout dommage fonctionnel ou esthétique.
États-limites de fissuration : Le dimensionnement prend en compte la nécessité de limiter les fissurations, en particulier selon les classes d’exposition, pour prévenir la dégradation du béton.
États-limites de déformation : Les déformations de la structure doivent rester dans des limites acceptables (par exemple, flèches), afin de garantir le bon fonctionnement des éléments structuraux et le confort des usagers.
NOTE
Pour limiter l’ouverture des fissures, il est courant de :
- Prévoir un pourcentage minimal d’armatures : Assurer une répartition suffisante des armatures pour contrôler les fissures et améliorer la durabilité de l’ouvrage.
- Limiter les distances entre les armatures et leurs diamètres : Réduire la distance entre les armatures et limiter leur diamètre pour mieux contrôler la fissuration et augmenter la performance structurelle.
Les ELS se déclinent en deux sous-catégories :
- ELS réversibles : Ces états correspondent à des combinaisons d’actions fréquentes ou quasi permanentes, où la structure subit des contraintes qui restent dans les limites acceptables.
- ELS irréversibles : Ces états sont associés à des combinaisons d’actions caractéristiques qui peuvent entraîner des dommages permanents à la structure.
Les vérifications aux ELS doivent être effectuées pour toutes les situations de projet et tous les cas de charges appropriés, afin de s’assurer que la structure reste fonctionnelle et confortable tout au long de sa vie utile.
États-Limites Ultimes (ELU)
La formule pour l'ELU
La formule pour l’ELU est la suivante :
Nu = 1,35 · Q + 1,5 · G
Nu : Charge ultime, qui est la charge maximale que la structure doit pouvoir supporter sans atteindre un état de rupture.
Q : Charge variable, pondérée par un facteur de sécurité de 1,35.
G : Charge permanente, pondérée par un facteur de sécurité de 1,5.
- Perte d’équilibre statique : Cela inclut la possibilité de basculement ou de renversement de la structure, ou d’une partie de celle-ci, sous l’effet des charges appliquées.
- Rupture ou déformation plastique excessive : Une déformation plastique excessive ou une rupture de la structure indique que les matériaux ont dépassé leur capacité élastique, menaçant ainsi l’intégrité de l’ouvrage.
- Instabilité de forme : L’instabilité de forme, comme le flambement des éléments minces sous compression, peut provoquer une défaillance catastrophique de la structure.
La norme NF EN 1990 définit quatre catégories d’États-Limites Ultimes :
- EQU : Perte d’équilibre statique de la structure ou d’une partie.
- STR : Défaillance ou déformation excessive d’éléments structuraux.
- GEO : Défaillance due au sol (instabilité du terrain, glissement, etc.).
- FAT : Défaillance de la structure ou de ses éléments due à la fatigue des matériaux sous l’effet de charges répétées.
Les vérifications aux ELU sont essentielles pour garantir la sécurité des usagers et la stabilité de l’ouvrage. Les critères de calcul sont basés sur des déformations ou des courbures limites, afin de prévenir tout effondrement ou rupture.
Diagnostic, sondages, calcul de capacité portante ?
Le dimensionnement des structures en béton armé repose sur la méthode des états limites, qui distingue les États-Limites de Service (ELS) et les États-Limites Ultimes (ELU). Les ELS concernent les critères d’utilisation courante, tels que la fissuration, la déformation, les vibrations et la durabilité, garantissant que la structure reste fonctionnelle et confortable tout au long de sa vie utile. Les ELU, en revanche, assurent la sécurité des usagers et de la structure en empêchant toute forme de ruine ou de rupture. Ensemble, ces deux catégories d’états limites permettent de concevoir des ouvrages robustes, sûrs et durables.
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