Le Chevalement en Béton armé

Par M. Le Marec (Gaston Le Marec),

Directeur Général de l’entreprise Limousin

 

GÉNÉRALITÉS

La construction en ciment armé des grandes tours d’extraction des mines de charbon sort du domaine des réalisations courantes. La nécessité de placer au-dessus du niveau des recettes à charbon les dispositifs de habituels de manœuvre, de sécurité et de guidage conduit, en effet, à placer le carreau des machines à une grande hauteur au-dessus du sol. Les principales charges se trouvent ainsi concentrées au sommet de la tour qui doit supporter en plus de son poids propre et de l’action du vent, des efforts statiques et dynamiques considérables dus à l’importance des machines, auxquels il faut ajouter les efforts exceptionnels qui peuvent lui être transmis accidentellement par les câbles et les divers organes de manœuvre.

Dans l’étude de la construction et de ses fondations, on doit, en outre, tenir compte des mouvements de terrain à prévoir au voisinage des couches en exploitation et ceux-ci sont d’autant plus à craindre que même s’ils sont de faible amplitude, ils peuvent entraîner des désordres graves dans le fonctionnement des appareils. Dans ces installations, en effet, les dispositifs de guidage reposent directement sur la ceinture du puits dont ils doivent être étroitement solidaires ; les machines de même que les organes de suspension et de manœuvre sont, au contra ire, solidaires de la tour, et les moindres mouvements de l’un par rapport à l’autre peuvent entraîner des troubles dangereux dans la marche des installations. Ainsi, dans certains chevalements métalliques, il a suffi de la différence d’ensoleillement des diverses façades de la tour et des mouvements qui en résultaient au sommet pour rendre difficile le réglage des appareils de manœuvre.

 

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Les difficultés de réalisation d’une telle construction proviennent donc à la fois:

- de l’ampleur même des dimensions de la tour, et notamment de sa hauteur,
- de la grandeur exceptionnelle des efforts qui s’exercent aux différents étages et plus spécialement au sommet de la construction,
- de l’importance qu’il y a à assurer une liaison parfaite entre l’ossature en béton armé et les divers éléments métalliques de l’installation : machines proprement dites et organes divers de suspension et de guidage,
- enfin, de la nécessité d’empêcher, ou tout au moins de corriger les moindres mouvements de la tour par rapport à l’axe du puits.

 

DIMENSIONS GÉNÉRALES ET DISPOSITIONS D'ENSEMBLE DE LA TOUR D'EXTRACTION DU PUITS CHARLES

Le Puits Charles est divisé en deux compartiments séparés. Il y a donc deux groupes de deux cages indépendants l’une de l’autre, et l’équipement de la tour comprend deux machines d’extraction distinctes avec deux poulies Koepe identiques.

Ces machines sont installées au sommet de l’édifice dans une salle de 12 m de largeur et de 28 m le longueur et 10 m de hauteur libre, dont le plancher se trouve à 41 m au dessus du sol, ce qui porte à 53 m la hauteur totale de la construction.

Cette grande salle symétrique par rapport à l’axe du puits est desservie sur toute sa longueur par un pont roulant de 20 tonnes qui permet de lever et de manutentionner les pièces les plus lourdes de l’équipement mécanique ; elle déborde de chaque coté de la tour par deux grands encorbellement ayant 6 m de porte-à-faux.

 

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La tour d’extraction est encadrée sur ses différentes faces par les autres installations de surface dont elle n’est séparée que par des joints de dilatation sans épaisseur :

- au Nord, le bâtiment d’accès au personnel avec ses annexes : lampisterie, lavabos, douches, etc…,
- au Sud, le bâtiment du transformateur et des convertisseurs qui doit être ultérieurement prolongé vers un nouvel atelier,
- à l’Est, le bâtiment de l’encagement des bennes vides,
- à l’Ouest, le bâtiment du décagement des bennes pleines, qui est surmonté dans sa première travée par un étage à 12,10 m, abritant le treuil de secours à quatre tambours, et communique à son autre extrémité avec le bâtiment du criblage lavoir, très vaste installation, qui comporte également le triage du charbon, son chargement sur wagon et sa pesée automatique.

 

IMPORTANCE DES EFFORTS QUI S'EXERCENT AUX DIFFÉRENTS ÉTAGES DE LA TOUR

Les efforts qui s’exercent aux différents niveaux de la tour d’extraction, sont d’une ampleur exceptionnelle, ils peuvent être divisés en quatre catégories distinctes :
1- Poids propre de la construction ;
2- Surcharge des planchers et des appareils avec les réactions correspondant à leur fonctionnement normal ;
3- Efforts de renversement dus au vent et au pont roulant lorsqu’il fonctionne à l’extrémité des encorbellements de la tour ;
4- Efforts exceptionnels dus : soit à une mise à molette, soit à un coincement de la cage dans ses guidages, soit, enfin, à une chute de la cage sur les taquets de sécurité, chacun de ces incidents pouvant entraîner sur le câble de la poulie Koepe un effort atteignant la charge de rupture.

Au puits Charles équipé au stade définitif de deux machines d’extraction symétriques par rapport à l’axe du puits, les charges les plus importantes atteignant les valeurs suivantes :

- Poids propre de la construction : 4 000 t,
- Surcharge des appareils en marche normale : 2 000 t (dont 500 t sur le seul plancher de la salle des machines),
- Action horizontale du vent sur la tour dont le point d’application est de 36 m au dessus du sol : 160 t,
- Moment de renversement dû au vent : 6000 t mètres,
- Charges de rupture du câble sur la poulie Koepe : 300 t.

A ces efforts principaux viennent s’ajouter les efforts dynamiques des machines en marche, les couples des freins et, enfin, les efforts accidentels tels que :

- Le coincement des cages de guidages resserrés effort horizontal : 100 tonnes,
- La chute de la cage sur les taquets de sûreté : 200 tonnes,
- Choc de la cage sur les poutres de sûreté, effort vers le haut : 150 tonnes,

Ces charges sont très supérieures à celles que l’on rencontre habituellement dans les constructions industrielles, surtout si on considère qu’elles s’exercent en plan sur un rectangle de dimensions très réduites, puisque le grand coté ne dépasse guère quinze mètres et que leurs points d’application se trouvent à une grande hauteur au dessus du sol.
C’est ainsi que les efforts à la base des quatre poteaux d’angle de la tour est en marche normale de 1 500 t.
Avec le vent il atteint 1800 t. Et en cas de rupture du câble et de grand vent, il dépasse 2 000 t.
Ce sont là des charges tout à fait exceptionnelles pour des poteaux en béton armé et les points délicats de la réalisation sont la liaison et la transmission des efforts des organes mécaniques à l’ossature même de la construction et de celle-ci à ses points d’appui dans le sol.

 

DESCRIPTION GÉNÉRALE DE LA CONSTRUCTION EN BÉTON ARMÉ

En dehors de ses avantages bien connu d’économie et de facilité d’entretien le béton armé s’il est convenablement agencé et mis en œuvre se prête spécialement bien à la construction des tours d’extraction car la réunion des poteaux et des parois épaisses et fortement armées de la tour, qui sont elles-mêmes solidement entretoisées par les poutres supportant les planchers, forment un ensemble monolithe excessivement massif et robuste, capable de résister dans les meilleures conditions aux efforts de toute nature aussi bien verticaux qu’horizontaux et obliques.

De plus, les vibrations dues aux efforts dynamiques des machines en mouvement sont plus faciles à éviter en raison même de la plus grande ampleur des charges statiques dues au poids plus élevé de la construction proprement dite.
Pour la tour d’extraction du Puits Charles, les parois ont au minimum 30 centimètres d’épaisseur, elles sont convenablement renforcées au droit des points d’appui des poutres supportant les machines et leur armature est spécialement conçue pour leur permettre de reporter les charges des différents planchers sur les quatre poteaux d’angle de la construction.

Ceux-ci ont une section carrée de 1 m 85 x 1 m 85 légèrement tronquée sur l’angle intérieur pour limiter leur encombrement ; ils reposent sur les fondations par un socle circulaire de 3 m 50 de diamètre.
Les poutres supportant les planchers ont en général des sections importantes et sont très fortement armées en raison des surcharges très élevées qu’elles ont à supporter.

A titre d’exemple, les poutres principales du plancher des poulies ont 2m 30 de hauteur, elles ont une section en T dont l’âme a 70 cm de largeur et la semelle 1 m 30 de largeur et 50 cm d’épaisseur ; le moment fléchissant dans ces poutres est de : 1 000 tonnes-mètres, au milieu de la portée la section totale d’armature a la flexion de 370 cm² d’acier. L’effort tranchant sur la section d’appui est de 240 tonnes.

Une difficulté particulière se présentait pour les poutraisons supportant directement les machines d’extraction et les poulies Koepe à la cote : 41 m. En effet, la portée des poutres supportant les machines est de 16 m et les charges des paliers se trouvent concentrées vers le milieu de la travée, ce qui, en raison des efforts considérables qui s’exercent à ce niveau aussi bien dans le sens horizontal que dans le sens vertical aurait conduit à des poutres exceptionnellement hautes et encombrantes. Celles-ci auraient rendu impossible l’installation de nombreux organes de manœuvre, freins et transmissions diverses, qui doivent se trouver obligatoirement installés en dessous du plancher des machines.

 

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Pour éviter cette difficulté ces poutraisons ont été constituées par de puissants chevalements formés essentiellement d’une poutre à béquille surmontée d’un treillis dont les éléments sont convenablement disposés pour reporter directement les efforts sur les parois de la tour au niveau du plancher des poulies de renvoi, soit à 9 m environ au dessus du plancher des machines. On voit immédiatement que les efforts verticaux et horizontaux qui peuvent s’exercer sur l’axe de la poulie Koepe sont transportés directement sur les parois au niveau du plancher des poulies par les barres du treillis et les deux puissantes jambes de force se font uniquement suivant l’axe des barres ce qui supprime tout effort de flexion dans les éléments en béton armé ; cette disposition est essentiellement favorable étant donné l’ampleur exceptionnelle des efforts qui sont en jeu. Elle permet en outre d’éviter les vibrations qui auraient pu se produire sous l’influence des efforts dynamiques des machines en mouvement dans une poutre de grande portée travaillant en flexion.

Les charges sont ainsi transmises directement comme aux autres étages aux parois de la tour, et par elles aux quatre piliers d’angle qui supportent ainsi tout le poids de la construction.

 

FONDATIONS

Les semelles de fondation des piliers d’angle ont une forme troncônique de 8 m de diamètre à la base et de 3 m 50 à la partie supérieure. Ces semelles qui avaient été construites au début du fonçage du Puits, soit plusieurs années avant la construction du chevalement, étaient prévues pour exercer une contrainte uniforme de 3 kg par centimètres carré en marche normale et de 4 kg dans le cas exceptionnel de très grand vent ou de rupture de câble. Le terrain rencontré à ce moment était constitué sur une grande épaisseur par du rocher sain qui justifiait ces taux de fatigue d’ailleurs relativement modérés.

Par contre, lorsque les fouilles furent reprises sur des bases élargies pour les sous-sols et les fondations des bâtiments annexes du chevalement on rencontra dans le rocher des zones décomposées avec des failles profondes et des couches de glaise qui étaient passées inaperçues lors du premier travail. Il fut décidé d’élargir la base des fondations en reprenant les semelles en sous-œuvre par des massifs de gros béton fortement armé de 12 m x 12 m de manière à limiter à 1 kg environ en marche normale la pression sur le sol de fondation.

 

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De plus, comme la tour d’extraction se trouve édifiée dans un terrain où les mouvements miniers sont à craindre, il avait été prévu dès le début que les semelles seraient aménagées de telles manières que, en cas d’affaissement de la semelle de base d’un des quatre piliers d’angle, celui-ci puisse être remonté à l’aide de vérins afin de rétablir le chevalement dans sa position initiale. A cet effet, chaque pilier d’angle porte à sa base six ergots sur lesquels on peut actionner des vérins hydrauliques de 300 t dont l’emplacement est réservé à la partie supérieure de la semelle de fondation. On dispose ainsi, à la base de chaque pilier, d’un effort de soulèvement de 1 800 tonnes largement suffisant pour relever le pilier et le rétablir dans sa position primitive où il suffit ensuite de l’immobiliser par un calage au ciment.

Cette disposition est à recommander toutes les fois que des mouvements miniers sont à craindre, elle a été appliquée pour la première fois par les Entreprises Limousin à des réservoirs d’eau qui ont pu être ainsi remis en position sans subir le moindre désordre. Elle a été appliquée depuis à diverses reprises pour la mise en place de tours d’extraction construites à côté de leur emplacement définitif et qui étaient ensuite transportées sur rouleaux et réglées sur place à l’aide de vérins de manière à interrompre le moins longtemps possible le fonctionnement du Puits.

 

CALCULS DES OUVRAGES

Le chevalement du Puits Charles étant un des premiers de cette importance construit en béton armé, les calculs de l’ouvrage ont été établis avec la plus grande prudence. Les taux de fatigue adoptés pour le béton et pour l’acier, sont ceux de la circulaire ministérielle de juillet 1934 ; toutefois, on a distingué deux cas : celui des surcharges maxima sur les planchers joints aux réactions des machines en marche normale et d’autre part, celui des efforts exceptionnels dus au vent et à une rupture du câble. Pour ce dernier cas, tout à fait exceptionnel, les taux limite de fatigue ont été majorés de 20 %.

 

EXÉCUTION DES TRAVAUX

La principale difficulté d’exécution provenait à la fois de la hauteur de la construction et de l’ampleur des portes à faux de la salle des machines.

On devait également tenir compte du peu d’espace disponible, le chevalement proprement dit se trouvant enserré au milieu des bâtiments annexes dont la construction devait être menée simultanément.
Pour tenir compte de ces diverses conditions, les procédés d’exécution furent étudiés dans les moindres détails de manière à réduire au minimum le volume et l’encombrement des échafaudages, tout en assurant la plus grande sécurité aux ouvriers et l’équipement mécanique fut poussé à l’extrême aussi bien pour la manutention des coffrages que pour l’approvisionnement des matériaux.

 

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Pour répondre à ces conditions, le chantier avait été équipé d’un plancher de travail mobile ayant à peu prés les dimensions intérieures de la tour, et muni de quatre grues électriques de 1000 kg. Toutes les manutentions se faisaient à l’aide de ces quatre grues installées aux quatre angles de la tour sur le plancher mobile qui était monté en même temps que la construction et toujours en avance d’un étage sur elle. On pouvait ainsi monter successivement les coffrages puis la ferraille et le béton.

Le bétonnage se faisait par hausses successives en commençant par les piliers d’angles et les parois des façades et en terminant chaque étage par les poutres entretoises et le hourdis. Chaque plancher servait ainsi de support aux coffrages de l’étage suivant, ce qui réduisait au minimum le volume des échafaudages.

Ce mode de construction permettait, en outre, de libérer complètement les étages inférieurs qui devenaient ainsi disponibles pour le montage des installations mécaniques sans attendre l’achèvement des planchers supérieurs.
L’exécution de la salle des machines à la partie haute demandait des précautions spéciales. Il s’agissait, en effet, d’ériger au sommet de la tour une vaste construction à deux étages très fortement chargée qui débordait le tour de 6 m de chaque côté.

Étant donné les charges considérables, on ne pouvait sans dépenses excessives demander aux échafaudages de les supporter dans leur intégralité. Les parties inférieures, parois, poutres et planchers furent étudiés et armés de manière à pouvoir supporter une notable partie des poids des superstructures et un programme minutieux fut établi pour le coulage des éléments successifs, de manière que chaque élément ne puisse être coulé que lorsque l’élément inférieur avait acquis une résistance suffisante pour pouvoir le supporter.

 

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C’est ainsi que les parois latérales furent coulées en trois phases successives sur la hauteur de 5,30 m séparant la partie inférieure de l’encorbellement (cote 35,70) du plancher des machines (cote 41,00).

La première phase comprenait : le coulage du plancher de la cote 37,00 dans la partie centrale du chevalement seulement et les parois latérales sur une hauteur de 2,20 m à partir de la base.

La deuxième phase comprenait : le coulage du plancher à la cote 41,00 dans la partie centrale seulement et les parois latérales sur une hauteur de 1,80 m.

La troisième phase comprenait le coulage des parois latérales d’abord jusqu’au niveau du plancher des machines (cote 41,00), puis jusqu’au niveau inférieur des baies de façades (cote 42,85).

 

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Des phases analogues étaient prévues pour le coulage des autres parois, ainsi que pour les poutres et les planchers, chaque coulage devant se faire dans un ordre rigoureux et uniquement lorsque le béton des précédents coulages avait atteint une résistance suffisante.

C’est ainsi que le coulage du plancher à la cote 37,00 ne pouvait être exécuté que lorsque le béton des parois avait atteint le niveau du plancher des machines et donner une résistance d’au moins 175 kilos par centimètre carré, de même le plancher des machines ne pouvait être coulait que lorsque les parois latérales avaient atteint la cote inférieure des baies de façades soit : 42,85.

 

Ces précautions ont permis de réduire dans une certaine mesure les charpentes supportant le porte-à-faux. Celles-ci étaient malgré tout très importantes et comprenaient essentiellement deux chevalets placés sur les cotés et prenant appui sur des corbeaux aménagés dans les poteaux d’angle de la tour, et cinq poutres à treillis encastrées dans la partie centrale du chevalement, à l’intérieur de laquelle elles pénétraient largement. L’encastrement était réalisé, d’une part,par un appui sur la paroi de la touret, d’autre part, par un solide ancrage à la partie arrière fixée dans les poutres du plancher inférieur (plancher des poulies). Cet ancrage à la base était d’ailleurs complété par un calage au-dessus sur le pont supérieur de la poutre à béquilles dont il a été précédemment parlé. Ces divers éléments de la partie centrale du chevalement avaient été coulées assez à l’avance pour avoir un résistance suffisante au moment de l’exécution du porte-à-faux.

 

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Grâce à ces précautions minutieuses, la construction du chevalement se poursuivit sans le moindre incident, en liaison avec les bâtiments annexes qui en sont le complément.

L’installation de l’équipement mécanique suivait immédiatement l’exécution du gros œuvre, de sorte que les délais nécessaires pour la mise en service furent réduits au minimum.

 

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CONCLUSION

Il est remarquable de constater que, malgré leur importance la mise en place de l’ensemble si complexe des installations mécaniques du chevalement et de ses annexes n’a jamais soulevé la moindre difficulté. Ce résultat est la conséquence directe de la coopération constante et de l’heureuse entente qui n’a jamais cessé de régner entre les constructeurs et les différents services de la Mine, aussi bien pour l’étude du projet que pour l’exécution des travaux.

Le Puits Charles est en service depuis juillet 1943 ; ses installations de surface forment un ensemble imposant dont le chevalement constitue en quelque sorte le centre et le couronnement. Il est solidement épaulé par les bâtiments annexes qui l’entourent notamment le bâtiment du criblage dont la masse lui fait équilibre. Bien qu’aucun effet architectural n’est été recherché, son aspect extérieur est, en général, favorablement apprécié en raison même de ses formes simples et rationnelles et de ses proportions générales en harmonie avec le cadre où il est placé.