La maison durable

Fondation : calcul de rupture

Suite à la question posée sur le forum des compaillons je vais tenter d'expliquer la différence entre Etat Limite Ultime et Etat Limite de Service:

  Ce graphique vous montre l'allure de la déformation d'un sol en fonction de la charge appliquée Q'u.
L'ELU correspond grosso-modo à la charge de rupture divisé par 2
L'ELS  correspond grosso-modo à la charge de rupture divisé par 3

Tout deux entrainent une déformation proportionnelle à la charge: le matériau terre est dit élastique. Au delà, ça s'enfonce beaucoup...

La différence entre l'ELU et l'ELS ne correspond qu'a une différence de marge de sécurité: L' ELS est la déformation "admissible" par le législateur. 

Stabilisation des enduits argileux de type kaolinite

Le traitement à la chaux d'une terre comportant une argile peu active peut donner de très bon résultats, à condition de pouvoir maintenir une cure parfaitement saturée de vapeur d'eau, ce que l'on peut maitriser lors de la fabrication de briques crues BTC avec un film imperméable.

En revanche, lors de la mise en oeuvre d'un enduit terre, la cure laisse à désirer... : la stabilisation de la terre à la chaux se révèlera alors souvent néfaste, la résistance mécanique peut dégringoler...

Pour un enduit terre à argile de type kaolinite, je conseille de privilégier un traitement au ciment (4%) qui augmente la résistance, rend moins sensible à l'eau, tout en gardant une bonne perméabilité à la vapeur d'eau. Lire : stabilisation terre ciment

Pourquoi ne pas faire des tests d'écrasement comparatifs avant d'opter pour un stabilisant ?

Résistance mécanique en compression des murs maçonnés en terre crue.

D'après les essais réalisés à ENTPE, un mur de BTC maconné en mortier de terre voit apparaitre ses premières fissures autour de 0.55 Mpa (sans stabilisant) à 0.9 MPa (bloc et maçonnerie stabilisée).
L'effondrement du muret intervient avec une contrainte de compression beaucoup plus importante (de 1Mpa à 3Mpa). Pourtant aussi bien les Briques que le mortier initial ont des résistance à la compression bien supérieur à ces valeurs : La faiblesse provient des interfaces, rien ne sert d'avoir de la BTC trop performante en résistance avec un mortier de terre.

Cepandant précisons que pour une construction classique la descente de charge liée au poids des murs et bien inférieure à ces valeurs. Une toiture à charge bien répartie peut être reprise sans problème par un mur BTc maçonné en mortier de terre.

C'est surtout en flexion que le matériau possède ses limites.
Il conviendra de proscrire tout risque de flexion dans le mur:
- éviter les charges ponctuelles ( poutre maitresse de toiture s'appuyant ponctuellement
-épaisseur minimal des murs pour éviter les isques de flambement
- fondation solides pour éviter les risques de tassement différentiels

Influence du ciment sur la résistance en compression d'un matériau à base de Montmorillite

Le traitement de matériau à d'argile très active au ciment baisse la résistance du produit pour les faibles dosages de ciments (2%). un pourcentage plus important à moins d'effet sur celle-ci. Au final le traitement au ciment est peu judicieux pour un matériaux à argile active sauf en cas de problèmes de gel et humidité.

Influence du ciment sur la résistance en compression d'un matériau à base de kaolin

Un matériau à base d'argile de type Kaolinite à une résistance mécanique faible (inférieur à 1 Mpa); il peut être intéressant de chercher à le renforcer par du ciment.
La résistance mécanique augmente régulièrement avec l'augmentation du pourcentage de ciment: 2% ( difficile à réaliser de façon homogène sur chantier) plus généralement de  4 à 10 % de ciment.

Un tel traitement peut être utile pour atteindre la norme XP P13-901 de l'afnor qui fixe un minima de 2 MPa pour la BTC à Mayotte.

Il n'en est pas de même pour un matériau constitué d'argile active.

En revanche l'effet du ciment sur la résistance est beaucoup plus important avec un effort de compactage important. Dans certains cas, malgré l'apport du ciment, une presse manuelle développera un effort insuffisant pour valoriser le ciment en therme de résistance mécanique. Le ciment aura pour effet de seulement diminuer la sensibilité à l'eau et au gel du matériau. dans ce cas de figure, les presses hydrauliques prennent tout leur sens.

Compactage des terres grenues

Au sein du fuseau des terres compactables, on distingue une sous-catégorie de matériaux dit grenus.

Ces derniers sont plutôt riches en graviers, sables grossiers et pauvres en argile. (lire granulométrie)

Le constructeur en terre peut tirer des enseignements de leurs caractéristiques lors d'un compactage :

• Ils  nécessitent une teneur en eau de compactage faible : comprise entre 5 % et 10 % pour une argile de type kaolinite (selon la contrainte appliquée et le matériau...).  Entre 8 et 15 % environ pour une argile active de type montmorillite.
• par conséquent le retrait de séchage est faible : un matériau grenu est adapté à l'usage en pisé
• un matériau grenu "supporte" beaucoup moins les imprécisions de teneur en eau qu'un matériau fin. Ainsi lorsque la teneur en eau de compactage s'écarte de l'optimum (optimum compactage), le densité sèche varie sensiblement...
• En revanche, le travail d'Alphand à l'ENTPE a montré que les graviers rendent le matériau "tolérant" au compactage à teneur en eau imparfaite.
• un matériau grenu a peu de variation de densité sèche avec l' augmentation de la contrainte de compactage, il se compacte très bien à 2 MPa!
• les sables grossiers (2 à 5 mm) donnent un squelette sableux, générateur des forces de frottements internes: le matériau a une meilleure résistance mécanique.
• les  graviers de taille importante ( 10, 15 mm et plus) fragilisent la résistance mécanique pour deux raisons : des fissurations apparaissent le long de la surface du gravier lors du séchage et les points durs formés par le gravier génèrent aussi des fissures. Pour peu que le liant argileux soit "peu liant" la brique aura une résistance à la compression bien inférieure à 1 MPa, ( mais suffisante: mur autoporteur résistance minimale)
• après démoulage la brique BTC "grenue" est très fragile et doit être manipulée avec précaution.

Essai BTC (terre grenue)

Solidité des murs porteurs en terre

Le matériau terre crue supporte des charges de type charpente sans problème à l'état sec. Un faudra être plus vigilant à sa résistance à l'état humide (précipitation...).

La grande faiblesse de la terre crue est principalement sa résistance à la traction et au cisaillement, un chaînage du bâtiment est recommandé.

Illustration : pilier porteur d'une charpente en briques d'adobe (et cuite),  ce vieil hangar tient toujours...alors que ces briques n'ont pas de caractéristiques mécaniques importantes

Mur non-porteur

Influence du type d'argile sur la résistance mécanique

Il existe plus de 800 "types" d'argile. On distingue :

• les plus actives ,de type Montmorillite qui sont très sensibles à l'eau, soumises à des gonflements-retraits importants,
• les moins actives, de type Kaolininite.

La densité du produit compacté à base de kaolinite est supérieure à une Montmorillite. Ainsi à 4 MPa de contrainte, 7% de densité supplémentaire pour une kaolinite.

En revanche, la résistance mécanique est beaucoup plus faible. Ce qui s'explique par des forces de liaisons beaucoup moins puissantes. D'où l'intérêt d'identifier l'argile: identification type argile.

L'augmentation de l'intensité du compactage a peu d'influence sur les argiles peu actives (densité et résistance mécanique ) mais améliore très sensiblement la densité (gain de 7 % de 2MPa à 8MPa) et la résistance mécanique des argiles actives.

La résistance mécanique dépend de la densité sèche

Pour un matériau donné, l'augmentation de la densité sèche s'accompagne toujours d'une augmentation de la résistance mécanique.

Mais ,attention, une brique très dense n'a pas forcément une grande résistance mécanique ; tout dépend de sa composition, de la nature de l'argile...

Sur cet exemple, multiplier par 5 (de 4 à 20 MPa) la contrainte de compactage fait gagner un peu en densité sèche. Ainsi, on enregistre une progression de la résistance en compression de 1.4 à 1.9 MPa. Beaucoup d'énergie de compactage ne permet pas forcément de gagner grand chose si l'argile est peu active et le matériau grenu .

Source graphique: Ali mesbah (ENTPE)

Compactage : recherche de la teneur en eau optimale

Le compactage vise à densifier la terre. Le taux d'humidité de la terre au moment du compactage est primordial.

Sur le graphique : une courbe correspond à une intensité de compactage à différentes teneurs en eau. Plus on apporte une contrainte forte, plus le matériau se travaille "sans eau" et la brique finale est dense, surtout en présence d' argiles actives

Chaque courbe est en forme de cloche : il existe une teneur en eau de compactage optimale qui après séchage produit la meilleure densité. Si on compacte à une mauvaise teneur en eau, la densité sèche finale peut être fortement amoindrie :

• trop d'eau empêche le compactage (absorption d'énergie par mise en pression des molécules d'eau)
• pas assez d'eau génère des frottements entre les grains, ce qui absorbe l'énergie du compactage.

Source graphique: Ali Mesbah (ENTPE)

Compactage : force de pressage

L'exemple de calcul suivant peut être utile à un concepteur de presse ou lors d'essais de compactage (recherche de la teneur en eau optimale) avec une presse hydraulique.

Exemple de calcul :

Le moule fait 20x10 cm (200 cm2)
On souhaite appliquer une contrainte σ de 2 Mpa (soit 20 kg/cm2) soit 20 bar.

σ = F/S 
soit F = σxS
F = 20x200 (en kg)

La force à exercer sera de 4000 kg, soit 40000 Newton.

Plus le moule sera grand, plus la force de pressage sera grande pour garder la même contrainte.

Illustration : presse permettant de réaliser des éprouvettes de densité homogène

Compactage : Notions de pression et force

On appelle contrainte, ou pression, le rapport de la force appliquée à la surface du solide. On la note sigma : σ = F/S. Elle s’exprime en N/m² (Pascal).
La contrainte appliquée avec une presse BTC oscille entre 2 et 8 Mpa.

Une pression est une force exercée sur une unité de surface.

Unités :
1 Pascal correspond à une contrainte de 1 N (Newton)/ m2
1 MPa = 1000000 (10e6) Pascal
Sachant que 1 kg = 10 N environ (P=mg) par conversion on trouve :

1 MPa =  10 kg/cm2 

1 MPa = 10 bar

Granulométrie en laboratoire

Les éléments fins se tamisent mal à sec (les argiles s'agglomérant).

En géotechnique routière, on détermine le pourcentage d'éléments inférieurs  à 80 microns en plaçant le tamis et la terre sous l'eau courante (P80 : pourcentage de passant à 80 microns).

La différence de poids [matériau sec initial-matériau sec après tamisage] correspond à la masse des silts et argiles partie avec l'eau.
Une analyse complémentaire de la terre au bleu de méthylène (VBS) permet de savoir si ces éléments fins sont plutôt très argileux, argilo-limoneux, limoneux...
Pour les éléments supérieurs à 80 microns, différents tamisages (avec tamis à mailles décroissantes) permettent de mesurer le pourcentage des éléments passant au travers des différentes mailles.

Illustration : jeux de tamis de différentes mailles.

On élabore ainsi la courbe granulométrique jusqu'à 0,1 millimètre, complétée par la P80 ( 0.08 millimètres) et les données de la VBS.

courbe granulométrique

Le graphique suivant représente le fuseau granulométrique des terres constructibles.

• Il se subdivise en deux fuseaux:

un à compacter : pisé, BTC

un autre à mouler (ou modeler): adobe, cob, bauge, torchis

• Les limites sont évidemment indicatives:
• "sortir du fuseau" conduit à un matériau non idéal qui peut tout de même être constructible.

De même, on peut toujours compacter des terres très argileuses (30 % et plus) mais il faudra beaucoup d'eau. Le moulage est sans nul doute plus adapté .

Terre : notions de base

Une terre de construction est composée de :

- graves (> 50 mm)

- graviers (de 50 à 5 mm)

- sables (de 5 à 0,08 mm)

- fines (< 0,08mm) -silts et argiles-

- fibres (paille, chanvre...) ou stabilisants éventuels

Les graviers et sables assurent le squelette du matériau. Par les frottements qu'ils génèrent ils contribuent à la résistance mécanique.

C'est l'argile qui assure à l'état "sec" ( 2% d'eau) les liaisons entre les éléments squelettiques.

Les 20 à 50 premiers centimètres de terre sont généralement trop riches en matière organique : à proscrire.

Connaissances scientifiques

Dès les années 80, les travaux menés par l’équipe de Mme Olivier et M. Mesbah, au sein du laboratoire "géomatériaux" de l'ENTPE (Ecole Nationale des Ponts et Chaussées) ont permis d'optimiser l'utilisation des différentes terres.

Parallèlement, ce laboratoire a élaboré des méthodes de mesures scientifiques de la résistance mécanique adaptée à la terre crue.

On connait aujourd'hui les propriétés mécaniques de la maçonnerie terre crue (brique+mortier) en fonction des granulométries employées, du type d'argile, de l'intensité du compactage, des traitements hydrauliques...

Le CSTB-Grenoble boucle actuellement une étude, à paraître prochainement, sur les matériaux torchis, pisé et enduits terres. Cette étude, financée par l'ADEME, porte sur la conductivité thermique, la mécanique, la perméabilité à la vapeur d'eau et la teneur en eau en milieu ambiant. A suivre....

Bon nombre des données sur ce sujet relatées dans ce blog proviennent de la thèse de Mme Olivier. Je remercie M. Mesbah pour l'aide précieuse qu'il m'apporte.

Illustration : coupole réalisée à l'ENTPE pour réaliser des tests de résistance mécanique

Solidité de la terre crue en mur non porteur

La base d'un mur en terre crue supporte le poids du mur. la force appliquée est dite "en compression".

Petit calcul tout simple que fait Ali Mesbah avec ses élèves de l'ENTPE:

"Soit un mur de 5 m de haut non -porteur en TC, il possède un volume de 0.0005 m3 au cm carré

Masse volumique du mur : 2000 kg environ au m3

Le poids du mur est donc de 2000x0.0005= 1kg au cm2 ce qui représente une pression de 0.1 MégaPascal."

Les murs en TC ont une résistance bien supérieure : 2 à 3 MPa pour le pisé, souvent autour de 1 MPa pour l'adobe... sans parler de la TC stabilisée qui est encore plus résistante.

On peut presque affirmer "N'importe quel mur de terre crue même mal élaboré aura largement la résistance requise pour s'autoporter"

Cas des murs porteurs