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Semelles de fondation définition et utilisation

Semelles de fondation : définition et utilisation

Les semelles de fondation sont des éléments structurels discontinus utilisés pour transférer les charges de la superstructure au sol sous-jacent. Voici quand les utiliser

Quand on construit des bâtiments avec une structure à ossature, l’utilisation de fondations discontinues peut s’avérer un choix particulièrement approprié. Parmi celles-ci, les semelles de fondation jouent un rôle clé, car elles fournissent une base solide pour résister aux charges transmises par les poteaux ou les colonnes supérieurs.

Si vous êtes intéressé à approfondir ce sujet, nous vous invitons à poursuivre la lecture de l’article pour découvrir les caractéristiques, les applications possibles et les critères de conception de ces importants éléments structuraux.

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Les semelles de fondation de quoi s’agit-il ?

Les semelles de fondation sont des éléments structuraux utilisés pour transférer la charge d’une structure au sol sous-jacent de manière sûre et stable. Elles font partie des fondations superficielles et sont utilisées dans la construction de bâtiments à ossature en béton armé ou en acier, de ponts, de treillis et d’autres structures caractérisées par des éléments résistants discontinus.

La forme la plus simple de la semelle de fondation est un parallélépipède, généralement en béton armé, qui a pour fonction d’élargir la base de support sur le sol de l’élément structurel supérieur (comme un poteau), afin d’obtenir une surface suffisamment large pour garantir une meilleure répartition des charges et assurer le respect des exigences de sécurité, de rigidité et de résistance requises.

Selon les besoins spécifiques du projet, les semelles de fondation peuvent également être réalisées sous des formes plus complexes, telles que la forme troncopyramidale, et peuvent être interconnectées par l’utilisation de longrines en béton armé pour améliorer la cohésion et la stabilité globale du système structurel.

Formes des semelles de fondations

Formes des semelles de fondations

Quand utiliser des semelles de fondation ?

Les fondations étant peu profondes et discontinues, l’utilisation de semelles n’est possible que dans certaines circonstances : 

  • le sol doit présenter des caractéristiques adéquates de résistance et de déformabilité : les semelles de fondation peuvent être utilisées lorsque le sol a une capacité portante suffisante pour supporter la charge sans risque de tassements ou de déformations significatives. Si le sol est stable et assez résistant, les piliers représentent un choix approprié pour la fondation, car ils sont économiques et relativement simples à réaliser ;
  • les charges appliquées ne doivent pas être excessives : les poteaux sont conçus pour distribuer des charges ponctuelles. Il est essentiel de s’assurer que ces charges ne dépassent pas la capacité portante du sol ou la résistance structurelle du poteau lui-même, afin d’éviter tout dommage ou effondrement de la fondation.

Pour prévenir les tassements différentiels ou les déplacements relatifs horizontaux, surtout dans les zones sismiques, il est nécessaire de relier les poteaux entre eux par un réseau de poutres ou de longrines en béton armé. Cette configuration améliore la distribution des charges et augmente la résistance globale du système, réduisant ainsi le risque de dommages structurels.

En cas de sols de faible résistance ou en présence de charges élevées, il pourrait être nécessaire de considérer d’autres types de fondations, comme les pieux ou les micropieux pour atteindre des couches porteuses plus profondes ou les fondations continues telles que les dalles et les longrines pour distribuer les actions sur une surface plus large, réduisant ainsi la pression sur le sol.

Configurations des semelles de fondation

Configurations des semelles de fondation

Caractéristiques des semelles de fondation

Les semelles de fondation sont des éléments structuraux très simples qui sont réalisés sous chaque poteau de la superstructure afin de transférer la charge au sol de manière ponctuelle, en maintenant les contraintes à l’intérieur des limites admissibles pour la zone de fondation.

Les principales caractéristiques de ces éléments sont schématisées comme suit : 

  • forme et dimensions : les semelles de fondation sont généralement constituées d’un bloc en béton armé de forme parallélépipédique ou troncopiramidale, avec une base carrée centrée par rapport au pilier. Dans le cas où la charge transmise par ce dernier est fortement excentrique ou si le pilier lui-même est considérablement allongé, on opte pour l’adoption d’une base de forme rectangulaire de dimensions BxL et d’épaisseur H. La section du pilier peut être rectangulaire ou trapézoïdale, en fonction des sollicitations et des besoins structurels. Ses dimensions sont liées à différents facteurs, tels que les charges provenant de la superstructure, les sollicitations agissantes et les capacités portantes du sol ;
  • épaisseur : contrairement aux dimensions BxL de la base, qui sont influencées par les facteurs précédemment énumérés, l’épaisseur H du poteau est déterminée par les sollicitations de cisaillement ou de poinçonnement prévues. Le choix d’une épaisseur adéquate est fondamental pour garantir la résistance structurale de l’élément et prévenir les tassements ou les dommages significatifs ;
  • armature : les semelles de fondation peuvent être pourvues ou non d’une armature métallique. Celles non armées présentent une forme troncopiramidale avec une hauteur élevée et des faces latérales inclinées d’environ 60°. Cette inclinaison augmente leur rigidité et les rend capables de supporter les charges sans l’aide de l’armature, simplifiant ainsi leur exécution. Les fondations armées sont réalisées, en revanche, en utilisant des consoles inversées en béton armé, qui reposent sur un lit de béton non armé. Cette approche permet de réduire considérablement l’excavation requise et le poids total du pilier. Cependant, pour compenser l’absence de rigidité de l’élément structural, il est nécessaire de réaliser une armature complexe capable d’absorber les efforts de flexion, de traction et de cisaillement. Cette armature est constituée de barres de fer disposées dans la partie inférieure du pilier le long des deux directions et de raidisseurs périphériques ;
  • configurations spéciales : dans des situations particulières, comme lorsqu’il est nécessaire de construire des poteaux près de bâtiments déjà existants ou à la limite de propriétés, on a recours aux «fondations de semelles décalées». Il s’agit de fondations caractérisées par une forme asymétrique, similaire à un poteau traditionnel sectionné en deux le long de la verticale. Ces éléments sont utilisés lorsque l’adoption de fondations standard n’est pas possible en raison de contraintes spatiales ou de conditions particulières du sol, qui ne permettent pas de centrer l’élément sous le poteau. Une conception soignée et une évaluation complète des conditions du sol sont cruciales pour garantir que les fondations décalées soient capables de supporter les charges agissantes sans causer de problèmes structurels ou de dommages aux bâtiments environnants.
Géométrie des semelles de fondations

Géométrie des semelles de fondations

Types de semelles de fondation

La réponse structurelle d’une semelles de fondation peut être comparée à celle d’une étagère encastrée au niveau du poteau et soumise à la réaction du sol agissant de bas en haut. Sur la base de ce schéma, les fondations de pilier peuvent être classées en deux catégories principales, en fonction du comportement rigide ou flexible de la base : 

  • poteau massifs : conçus pour fournir une réponse structurelle rigide car le rapport entre la hauteur du poteau et la taille de l’aile depuis le fil du poteau est supérieur à deux. Ils se caractérisent donc par une hauteur élevée par rapport à la base et peuvent prendre une forme en gradins ou en tronc de pyramide avec une pente des faces latérales comprise entre 45° et 60°. L’épaisseur de la section en béton est suffisante pour résister aux sollicitations de flexion et de cisaillement. Le poteau massif peut donc être dépourvu d’armature métallique, sauf une simple grille placée sur la base ;
  • poteau minces : offrent une réponse structurelle flexible car le rapport entre la hauteur de l’élément et la taille de l’aile est inférieur à deux. Ils sont soumis à la charge verticale transmise par le poteau et à la réaction du sol agissant sur la base du poteau. Les poteaux minces ont une forme parallélépipédique ou en tronc de pyramide avec une inclinaison des faces latérales inférieure à 45°. L’armature est toujours présente et les barres d’acier sont principalement positionnées sur la partie inférieure de la base.

Semelles de fondation préfabriquées

Dans le cas des bâtiments à structure de cadre préfabriquée, l’utilisation des soi-disant «semelle de fondations avec fût d’encuvement» est de plus en plus répandue. Il s’agit d’éléments structuraux préfabriqués dotés d’un logement spécial, appelé «fût d’encuvement», qui permet de positionner le pilier de manière efficace et sûre. Les semelle de fondations avec fût d’encuvement se déclinent en différentes typologies, énumérées ci-dessous : 

  • semelle de fondations avec fût d’encuvement avec une base rectangulaire, adaptés aux utilisations standard ;
  • semelle de fondations avec fût d’encuvement de forme carrée, idéaux pour les zones sismiques ;
  • semelle de fondations avec fût d’encuvement préfabriqué et base réalisée sur place, utilisés en cas de sollicitations importantes ou de terrains caractérisés par une portance réduite.

Les fondations préfabriquées offrent plusieurs avantages, notamment la facilité de pose des poteaux et un meilleur contrôle de la qualité et de la certification du produit. Ce type de solution peut être particulièrement avantageux pour les projets nécessitant rapidité d’exécution, précision et fiabilité structurelle.

Comment concevoir les semelles de fondation

La conception des semelles de fondation commence généralement par la réalisation d’études géotechniques pour obtenir des informations sur les propriétés du sol, telles que la capacité portante, la cohésion, l’angle de frottement et la présence de nappes phréatiques. Les charges verticales et horizontales transmises par la structure aux fondations sont ensuite déterminées.

Le processus comprend une série d’étapes impliquant le dimensionnement de l’élément structurel, la vérification des sollicitations et l’évaluation de l’interaction poteau-sol.

Pour les poteaux massifs, on suppose que les sections fléchies de l’étagère ne restent pas planes et orthogonales. Par conséquent, le dimensionnement structurel est effectué en considérant le système poutre-poteau. Cette approche prend en compte les déformations et les sollicitations qui se produisent dans l’élément structurel. Dans le cas des poteaux minces, pour lesquels le principe de conservation des sections planes s’applique, une vérification au poinçonnement peut être effectuée pour garantir que le poteau est capable de résister aux sollicitations sans fléchir ou subir des dommages.

Pour simplifier et rendre le processus de conception des semelles de fondation plus fiable, vous pouvez utiliser un logiciel calcul de structure avec lequel vous pouvez : 

  • choisir le type de poteau à modéliser (poteau massifs et/ou de forme troncopyramidale) ;
  • insérer la semelle de fondation et effectuer son dimensionnement en indiquant les propriétés (matériau, type de sol, géométrie, etc.) en relation avec les charges que la structure devra supporter ;
  • effectuer le dimensionnement des armatures. Les armatures du poteaux sont conçues en fonction des sollicitations et des forces que le poteau devra supporter, garantissant que la structure peut résister aux charges verticales, horizontales et de flexion. Lors du dimensionnement des armatures du poteau, plusieurs facteurs sont pris en compte, tels que la capacité portante du sol, la géométrie du poteau, les charges appliquées et les réglementations de conception structurelle. Les armatures sont positionnées de manière stratégique à l’intérieur du poteau pour assurer une distribution uniforme des forces et prévenir l’affaissement ou l’effondrement de la structure ;
Dimensionnement des armatures des poteaux issu du logiciel EdiLus

Dimensionnement des armatures des poteaux issu du logiciel EdiLus

  • effectuer la vérification du poinçonnement. Ce processus garantit que la semelle de fondation est capable de supporter les charges appliquées sans fléchir excessivement ou subir des dommages structurels.
Vérification du poinçonnement issu du logiciel EdiLus

Vérification du poinçonnement issu du logiciel EdiLus 

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Edilus
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