VIII.Techniques de soutènement, de consolidations permanentes avec l´acier

Soutènements de structures existantes à l´aide de palplanches en acier

Exécution de micro pieux dans les sous sols et le long des murs extérieurs d’un édifice gothique

Préparation d’un batardeau en palplanches autour d’une pile du pont Charles à Prague avant des travaux de consolidation

Souvent invisibles, les composants en acier comme les palplanches, les micropieux, les pieux pré fondés ou les tirants injectés sont des éléments structuraux essentiels des travaux préliminaires de réhabilitation. Ces travaux sont généralement indispensables à la pérennité des ouvrages que l’on veut modifier ou restaurer. La première phase d’une réhabilitation comporte très souvent un volet de soutènement, de consolidation voir de mise hors d‘eau des structures de fondation pour les réparer et/ou les consolider. Ces techniques facilitent largement la stabilisation définitive d’ouvrages anciens dont les structures enterrées ont été fragilisées soit par des conditions de construction défaillantes, soit par une altération de celles-ci provoquée par des tassements différentielles, des variations de la nappe phréatique ou des interventions antérieures mal maîtrisées. L’intérêt de ces solutions réside aussi dans le fait, qu’elles sont souvent le seul moyen de mener à bien des opérations de réparation et de confortement impossibles avec d’autres techniques traditionnelles. Les paramètres de temps et de coût sont en leur faveur. Par exemple, la rapidité d’exécution des palplanches pour créer des rideaux étanches ou les possibilités d’accès et de mise en œuvre dans des conditions difficiles pour les micropieux sont autant de raisons pour les utiliser dans ces contextes très exigeants. Pierre Engel pour www.constructalia.com

Réalisation de micropieux de consolidation avec des tubes pétroliers vises

Bien adaptés aux rénovations et aux reprises en sous œuvre, en raison de la grande maniabilité des machines de forage pourvues de têtes inclinables, les micropieux sont généralement forés à un diamètre de moins de 250 mm. L’outil de forage est monté sur des rallonges d’environ 1 mètres qui sont vissées une après l’autre sans besoin d’une grande hauteur libre. L'assemblage des barres est fait par manchons filetés pour les micropieux en traction. Les autres systèmes d'assemblage sont soit le soudage soit des manchons spéciaux. La portance est liée au frottement latéral et l’effort de pointe est généralement négligé. Pour mettre en œuvre cette technique, on réalise un forage et l’on pose un tube métallique de type pétrolier de diamètre 140 mm sans soudure. Le tube est utilisé pour injecter un coulis de ciment dont la pression d’injection varie avec le type de sol et la performance à obtenir. Les charges sont transmises à la tête de micropieux équipée d’une platine et parfois d'un système de vérin. Le fût fait transiter les charges vers le coulis qui frotte contre les parois du forage et dissipe ainsi la charge de compression dans le terrain. Afin de mobiliser le frottement latéral, il est nécessaire qu’il y ait un mouvement entre le fût du pieu et le terrain. La mise en charge des micropieux implique un tassement qui va de très faible pour la roche à beaucoup plus important pour les sols meubles comme les argiles plastiques. La charge d’usage des micropieux de diamètre courant 140 mm se situe généralement autour de 500 kN.

Phase d’installation des micropieux en acier

Exemple de confortement de fondations existantes par micropieux, détails de l’arrangement des pieux sous les nouvelles barrettes de fondation.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Déroulement d´un chantier de confortation de colonnes gothiques au moyen de micropieux en acier

Phase successives de la consolidation et de la renaissance du cellier du couvent des bernardins

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Reprise en sous œuvre des fondations des pignons en pan de fer et de poteaux métalliques

L’exécution de parkings sous des constructions réalisées en fer avec des remplissages en briques au cours du 19ème siècle est fréquente. Elle oblige à une reprise en sous œuvre des structures existantes avec consolidation. Léger, facile à mettre en œuvre, l’acier est le matériau idéal pour butonner, blinder ou encore étayer ces ouvrages.

Les parcs de stationnement sous les Halles Flachat à Asnières ou encore sous la Halle d’Albi ont impliqué une consolidation par suspension des structures pour réaliser les parois et les ouvrages d’infrastructure. Ce type de consolidation par profilés métalliques s’adapte en fonction de la structure à soutenir  mais la méthodologie est généralement la même.

Les charpentes et les murs extérieurs sont soutenus par l’implantation dans le sol de micropieux constitués par des tubes métalliques de type pétrolier vissés entre eux et injectés par un coulis de ciment. Le mur périphérique est alors repris, par moisage (cas des halles Flachat) ou braconnage avec fondation (cas de la Halle d’Albi). La descente de charge est déviée sur les micropieux.

Une reprise générale en sous œuvre a été opérée pour soutenir la charpente métallique de la halle d’Albi. Le but de l’intervention était de limiter l’impact des déformations sur la structure existante datant du 19ème siècle lors de la construction du parking souterrain afin de ne pas nuire à son intégrité. Pour ce faire, charpente et murs extérieurs ont été soutenus par l’implantation de micropieux scellés par un coulis de ciment dans le sol. Fichés jusqu’à une profondeur de 10 mètres et espacés de 4,80 m, les pieux étaient constitués par des tubes métalliques de type pétrolier vissés entre eux.

Après la mise en œuvre des micropieux et la réalisation d’une épaisse semelle en béton sous les murs extérieurs, les façades ont été immobilisées au moyen de bracons (barres obliques), espacés de 4,80 m pour reprendre les forces horizontales qu’exercent les poteaux de la charpente sur les murs extérieurs. Les six poteaux intérieurs en fonte et en brique qui soutiennent la charpente de la halle ont été stabilisés et renforcés grâce à une large semelle en béton armé de 50 cm d’épaisseur, reposant sur 4 micropieux et bloqués par 4 bracons. La structure ainsi stabilisée, le dallage de la halle a pu être déposé pour débuter les opérations d’excavation du parking.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Réalisation de micropieux temporaires ou de consolidation avec des pieux battus de type HP

Les pieux de fondation de type HP sont des poutrelles H laminées à chaud dont l'épaisseur de l'âme est égale à l'épaisseur des ailes pour obtenir une stabilité de forme élevée pendant le battage et un meilleur rapport masse/périmètre. Ils sont bien adaptés aux opérations de consolidations ou d’ancrage d’ouvrages temporaires comme les étayements de façades.

Pratiques dans les terrains meubles, ils évitent les excavations traumatisantes notamment dans les sites délicats. Ils servent également pour la réalisation d’ouvrages de fondations définitifs ou d’exploitations temporaires (pavillons d’expositions). Faciles à mettre en œuvre par battage ou par vibrofonçage suivant la nature du terrain, ces pieux résistent par friction et/ou par résistance de pointe. Ils peuvent être posés pour des radiers indépendants de type "radier brosse" ou de manière isolée pour des fondations locales. Dans le cas d’une utilisation temporaire, la valeur maximale de la capacité portante est limitée par la valeur nominale d’arrachage, généralement voisine de 500 kN.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Reprise de fondations en sous œuvre par adjonction de poteaux préfondés

La technique des pieux pré fondés est adaptée à la réalisation de fondations nouvelles sous des bâtiments existants. Les constructions de parkings ont souvent recours à cette méthode. La structure existante est préalablement étayée. Les poteaux en acier sont alors mis en place et constituent les nouvelles fondations de l’ouvrage. Les poteaux métalliques ont une hauteur légèrement supérieure au sous-sol à réaliser. Ils sont descendus dans un puits foré après creusement à la tarière. Leur base est scellée dans une masse de béton armé coulée au fond des puits, au niveau de la fondation finale. Le plancher haut du futur parking s’appuie sur ces poteaux et l’excavation "en taupe" enclenche les travaux d’infrastructure. Le flambement des poteaux est à prendre en compte en phase chantier. Pour éviter le phénomène, les puits sont remplis de gravier, intercalé éventuellement par quelques bouchons de maintien en béton maigre à des niveaux préalablement définis. Si le positionnement en plan des têtes de poteau est maîtrisé, l’ajustement de la verticalité est plus délicat. Les écarts peuvent être cependant atténués à l’aide de vérins hydrauliques. L’avantage ici du poteau métallique est sa légèreté et sa manipulation aisée, idéal pour ces opérations de pose et de réglage, et sa possibilité de reprendre des charges verticales importantes avec une section réduite. 1. Forage du puits à la tarière et consolidation avec de la bentonite. 2. Mise en place du poteau métallique équipé d’armature de semelle. 3. Bétonnage de la semelle et début de l’évacuation de la bentonite. 4. Enrobage du poteau par un béton pauvre de grave ciment (prévient du flambement en phase provisoire).  5. Pré terrassement pour la réalisation du plancher d’interface. 6. Réalisation de la poutre et du plancher d’interface entre la superstructure et l’infrastructure. 7. Réalisation simultanée de la superstructure et de l’infrastructure en travail "top & down" avec travaille en taupe en sous sol tout en construisant au dessus.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Exemple de mise en suspension d´une structure complète

Ici le bâtiment existant a fait  l’objet d’une véritable opération chirurgicale pour produire une "lévitation" de l’ancienne centrale électrique du Prado en un équipement multifonctionnel. Le maintien en l’air des murs de briques du nouvel édifice et de sa structure en acier est réalisé au moyen de trois plots d’accrochage disposés en triangle et contenant les circulations verticales (ascenseurs, montes charges et cage d’escalier). Cette superstructure constituée d’un réseau de poutres en acier porte l’enveloppe de brique renforcée par un corset. Détaché du sol par le découpage de son soubassement, le bâtiment défie les lois de la gravité, laissant plus d’un ingénieur pantois tant le pari constructif est audacieux. Pour les parties souterraines, structures et fondations sont réalisées au moyen de techniques traditionnelles. Enfin la structure de briques est coiffée par une structure métallique pour augmenter la hauteur et le nombre d’étages.

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Restructuration d´une arene en centre commercial par suspension temporaire des murs périphériques

Un projet de restructuration intérieure de grange envergure

"Las Arenas" est situé à Barcelone près du quartier de Montjuic, proche de plusieurs musées, des installations de la foire et du stade olympique. Arène tauromachique transformée par l’architecte britannique Richard Rogers, le complexe a conservé sa structure historique originale en brique pour devenir un centre commercial. Pour faire de l’enceinte un lieu accessible depuis le niveau de la rue, la base de la façade a été excavée et on a mis l’arène en sustentation sur un ensemble de 20 paires de poteaux en acier en forme de boomerang. L’objet principal de la réhabilitation était de rénover l’enveloppe historique en créant quatre grandes entrées afin de pouvoir accommoder les nouveaux espaces dédiés au nouvel usage du lieu.  D’une surface initiale de 45 000 m² le bâtiment ainsi transformé offre maintenant 149 000 m² de commerces, d’activités de loisirs, d’équipements et un parking de 1.250 voitures.

Mise en lévitation d’une couronne de briques de 100 mètres de diamètre

La modification des transferts d’efforts d’un ouvrage existant mis en totale sustentation est un exercice très délicat durant les phases de travaux. Le raccord des arènes, initialement placées sur un monticule, avec le niveau de la rue en contrebas a nécessité une excavation sous la structure initiale produisant une coupure du transfert direct des charges dans les fondations existantes. Pour restaurer ce transfert, en tenant compte des nouveaux impératifs structuraux, la création d’un niveau d’arcades supplémentaire est réalisée par la mise un place d’une ceinture périphérique en béton précontraint posée sur des poteaux en acier qui vient moiser la maçonnerie d’origine. Le travail consistait ici a étayer d’abord les étages supérieurs de l’arène par des béquilles en acier pour ensuite construire la ceinture périphérique puis excaver progressivement en étayant la structure pas à pas pour ensuite reconstruire de nouvelles  fondations et poser les poteaux boomerang.

Représentation schéma du processus de transformation des arènes de Barcelone en quatre phases

Vues successives des arènes de Barcelone à quatre moments symboliques de la construction

Pierre Engel pour www.constructalia.com

Restructuration de la tour PB 12 à la Défense pour en faire la tour Opus

Les étapes de transformation de la tour PB12 en tour Opus

La reconstruction de la tour PB12 à la Défense posait le problème du permis de construire. Une fois la tour d’origine démolie, il y avait un risque de ne plus obtenir un permis de construire eu égard au règlement d’urbanisme actuel. La solution de la restructuration avec réfection complète de la structure fût donc choisie pour sa sécurité patrimoniale par le maître d’ouvrage et le cabinet d’architecture Valode et Pistre. Pour ce faire, il fût décidé de remplacer les 86 poteaux de la façade d’origine espacés de 1,5 m par 26 poteaux placés sur une trame de 6 mètres.

Evolution de la structure de la tour opérée grâce à la transformation

Outre la rénovation complète de l’immeuble construit dans les années 1960, la restructuration des façades et de plancher permettaient de gagner 70 cm sur les côtés Nord, Sud et Est et prévoyait également l’extension de la tour côté Ouest. En raison des grandes portées entre ces éléments et leur arrimage sur le noyau central, la solution « poteaux et poutres métalliques » s’est imposée, elle réduit l’encombrement des sections. Des poteaux tubulaires mixtes bétonnés et ferraillés (Ø 610 mm, ép. 12 mm) assurent une reprise des planchers existants et des ajouts complémentaires de la restructuration. Ces poteaux font aussi fonction de structure support de la nouvelle façade.

L’implantation des nouveaux porteurs débute par des empochements entre les structures existantes. Les poteaux montés par tronçons de deux niveaux, sont solidarisés provisoirement au plancher à l’aide de V de contreventement en acier. Ils sont ferraillés puis remplis de béton. Après assemblage des futurs porteurs jusqu’au dernier niveau, les épines ont été sciées puis évacuées de haut en bas. Les dalles sont raccordées au profilé de rive reliant les nouveaux porteurs eux-mêmes boulonnés à cette poutre.

Phase de travaux pour l’extension de la tour Opus