Conception des fondations en 8 étapes

La conception des fondations joue un rôle déterminant en génie structurel car ces structures sont responsables de soutenir l’ensemble du bâtiment et de transférer les charges au sol. Dans les paragraphes suivants, nous partagerons quelques étapes pour mener à bien ce processus de manière efficace.

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Qu’est-ce que les fondations ?

Les fondations sont les structures construites sous le niveau du sol pour soutenir et distribuer la charge d’un bâtiment ou d’une structure. Elles sont conçues pour transférer de manière sécurisée les sollicitations verticales et horizontales du bâtiment au sol sous-jacent, garantissant la stabilité et la durabilité de toute la structure.

Les fondations sont nécessaires car le sol superficiel n’est pas capable de supporter directement la charge du bâtiment sans subir de déformations et d’instabilité. Les fondations distribuent le poids du bâtiment sur une surface plus large et transfèrent les charges aux couches de sol les plus adaptées pour les supporter.

Types de fondations

Il existe différents types de fondations, choisis en fonction des caractéristiques du sol, de la typologie de la structure et des sollicitations à supporter. En général, les fondations peuvent être divisées en deux grandes catégories : 

• fondations superficielles: utilisées lorsque le sol en surface est assez résistant pour supporter la charge du bâtiment sans avoir besoin d’atteindre des couches plus profondes. Cette catégorie comprend : 
  • les fondations sur radier, constituées d’une grande dalle de béton armé couvrant toute la zone d’appui du bâtiment et visant à distribuer uniformément la charge de la superstructure sur le sol sous-jacent ;
  • les fondations sur semelles filantes, caractérisées par des poutres en T inversé dont le comportement statique est opposé à celui des poutres en élévation et dont la fonction est de transmettre au sol les actions provenant de la structure porteuse du bâtiment ;
  • les fondations sur pieux, constituées d’éléments isolés ou correctement connectés, positionnés sous les piliers pour augmenter leur base d’appui et permettre ainsi une distribution plus uniforme des charges structurelles.
• fondations profondes: utilisées lorsque le sol superficiel n’est pas suffisamment résistant et qu’il est nécessaire d’atteindre des couches plus stables à des profondeurs plus importantes. Cette typologie comprend : 
  • les fondations sur pieux, constituées d’éléments verticaux, généralement en acier ou en béton, qui sont «forés» dans le sol pour atteindre des couches plus résistantes ;
  • les micropieux, similaires aux pieux mais de diamètre réduit, sont souvent utilisés dans des situations où il est difficile d’atteindre des profondeurs élevées avec des équipements de forage traditionnels.

Types de fondations

Exigences pour la conception des fondations

Lors de la conception des fondations, il est essentiel de garantir la fonctionnalité et la sécurité de la structure en élévation. Cela implique l’analyse des états limites ultimes (SLU) et de service (SLE) qui peuvent se produire pendant la durée de vie nominale de l’ouvrage, c’est-à-dire des conditions au-delà desquelles le système de fondation ne peut plus garantir les performances souhaitées.

Les états limites ultimes peuvent être liés à l’ affaissement du sol et à la résistance structurelle de la fondation elle-même. Cela signifie que le sol de fondation doit être capable de supporter les charges prévues sans dépasser sa charge limite et que les éléments structuraux de la fondation doivent être conçus pour résister à ces charges. Il est donc nécessaire d’effectuer des vérifications de capacité portante du sol et de concevoir les armatures de manière appropriée.

En plus des états limites ultimes, il est important de considérer la sécurité par rapport aux états limites de service. Les états limites de service se réfèrent aux mouvements et déformations du sol qui pourraient affecter la stabilité et la fonctionnalité de la superstructure. À cette étape, les tassements prévus dans le sol de fondation sont évalués et leur compatibilité avec le bâtiment surélevé est vérifiée. Il est possible que les vérifications des états limites de service soient plus contraignantes que les états limites ultimes, car elles se concentrent sur la stabilité à long terme de l’ouvrage de fondation. Par conséquent, elles peuvent influencer les dimensions et la conception même de la fondation.

Il est essentiel de souligner que le processus de conception des fondations nécessite une évaluation approfondie des conditions géotechniques du site, des propriétés du sol de fondation et des besoins fonctionnels du bâtiment. Les ingénieurs structurels doivent prendre en compte différents facteurs tels que la répartition des charges, la capacité portante du sol, les tassements prévus et les sollicitations sismiques, afin de garantir la sécurité et la stabilité à long terme des fondations.

Comment réaliser la conception des fondations ?

Le processus de conception des fondations se déroule en plusieurs phases, qui peuvent nécessiter des itérations et des ajustements. À chaque phase, diverses approches et modélisations sont utilisées pour analyser la structure en élévation, la fondation elle-même et le sol en dessous. Ce processus est itératif, ce qui signifie que les phases peuvent être répétées ou modifiées en fonction des nouvelles informations ou des besoins émergents pendant le processus de conception.

Les étapes à suivre lors de la conception d’une structure de fondation peuvent être schématisées comme suit : 

1. études préliminaires : la phase initiale implique la réalisation d’études sur le terrain et en laboratoire afin de recueillir des informations détaillées sur la caractérisation mécanique du sol de fondation. L’objectif est de comprendre comment le sol réagira sous le poids et le stress de la future structure de construction et de définir une stratigraphie de conception ;
2. définition des charges : c’est la phase où la distribution et l’importance des charges transmises de la superstructure à la structure de fondation sont déterminées. Il est nécessaire de prendre en compte à la fois les charges permanentes et celles dues aux surcharges et aux forces sismiques. Cette phase est essentielle pour garantir que la fondation est conçue et dimensionnée correctement pour soutenir la superstructure de manière sûre et stable, même dans des situations de charge extrêmes telles que celles dues aux tremblements de terre ;
3. choix du type de fondation : sur la base des informations recueillies dans les phases précédentes, le type de fondation qui convient le mieux aux caractéristiques du sol et aux exigences structurelles est choisi et une prédimensionnement est effectué. La profondeur du plan d’appui de la structure de fondation est également définie. Cette profondeur dépend non seulement des caractéristiques spécifiques du sol, mais aussi des dimensions du bâtiment et de la présence éventuelle de structures souterraines telles que des sous-sols ou des parkings ;
4. calcul de la charge limite : c’est une phase fondamentale dans la conception des fondations, car elle fournit une estimation de la charge maximale que le système constitué par le sol et l’ouvrage de fondation peut supporter avant de céder. En divisant la charge limite par un coefficient de sécurité qui prend en compte divers facteurs d’incertitude dans le processus de conception (comme la variabilité des propriétés du sol, la précision des calculs et la présence de charges temporaires ou exceptionnelles), on obtient une estimation préliminaire de la charge de service que la fondation peut supporter dans des conditions normales d’utilisation. Cette valeur constitue la base du dimensionnement effectif de la structure et garantit que la fondation est suffisamment robuste pour supporter toutes les charges prévues sans risque de tassement ou de rupture ;
5. évaluation des tassements : c’est la phase où les tassements totaux et différentiels du sol de fondation sont évalués pour déterminer de combien il s’affaissera sous le poids de la structure et des charges appliquées. Des tassements excessifs peuvent endommager à la fois les éléments structuraux et non structuraux et compromettre la stabilité et la fonctionnalité globale du bâtiment. Les résultats du calcul sont ensuite comparés aux tassements limites que la structure peut tolérer, en tenant compte des exigences spécifiques du projet et des réglementations de sécurité ;
6. analyse structurelle : à cette phase, l’interaction entre le sol et la structure de fondation est étudiée, en tenant compte de la rigidité réelle de la structure et du comportement du sol. L’objectif principal est d’évaluer de manière précise comment la structure de fondation répondra aux sollicitations appliquées, en considérant sa capacité à distribuer et supporter les charges de manière uniforme sur le sol en dessous. Lors du calcul structurel, divers facteurs sont pris en compte, tels que la géométrie et les caractéristiques de la fondation, les matériaux utilisés dans sa construction, les charges appliquées et les conditions du sol. À travers des modèles mathématiques et des analyses structurelles avancées, le comportement de la fondation sous l’action des charges est évalué et les éventuels points critiques nécessitant une attention ou des corrections dans la conception sont identifiés ;
7. planification opérationnelle : c’est la phase où l’accent est mis sur les procédures pratiques prévues pour réaliser la fondation, en évaluant différents aspects tels que la conception des excavations, la gestion des niveaux de la nappe phréatique pour garantir des conditions de travail optimales, l’installation des renforts structurels nécessaires pour protéger les structures environnantes contre d’éventuels dommages, etc. Les instructions, les lignes directrices et les spécifications techniques nécessaires pour garantir l’exécution correcte des travaux de fondation sont ensuite définies de manière détaillée ;
8. programmation des contrôles : à cette phase, un plan de contrôles est élaboré, comprenant la réalisation de vérifications et d’inspections à la fois pendant la construction de l’ouvrage et pendant sa durée de vie opérationnelle. Ce plan comprend une série de contrôles en cours de travaux, visant à garantir que les travaux sont exécutés conformément au projet approuvé et aux réglementations en vigueur. De plus, des contrôles périodiques sont prévus pendant la phase d’exploitation de l’ouvrage, visant à surveiller la stabilité et la sécurité des fondations dans le temps. Ces activités de contrôle sont cruciales pour garantir que l’ouvrage est construit correctement et maintient ses performances au fil du temps, assurant la sécurité et la durabilité de la structure.

Conception des fondations issu du logiciel EdiLus

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• analyse avancée: le solveur FEM permet d’effectuer des analyses structurelles sophistiquées et précises pour évaluer la réponse du système de fondation à différentes charges et sollicitations. Vous pourrez obtenir des résultats détaillés sur le comportement du sol et des fondations, y compris les tassements, les déformations et les sollicitations internes ;
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• vérification réglementaire: le système comprend des fonctionnalités pour la vérification des fondations selon les normes techniques et les codes de conception applicables. Vous pourrez effectuer des contrôles automatiques pour vous assurer que vos fondations répondent aux exigences de sécurité et de stabilité requises.

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