Tirants maçonnerie : fonctions et conception des tirants et chaînes dans les maçonneries.

Les structures en maçonnerie présentent souvent des problèmes d’emboîtement entre les murs, rendant le bâtiment vulnérable à des phénomènes de renversement hors du plan. Pour résoudre efficacement de telles problématiques structurelles, il est possible d’intervenir en utilisant les soi-disant “tirants”. Il s’agit d’éléments structurels constitués d’une barre métallique résistante à la traction appelée «chaîne», ancrée aux murs périmétriques par des éléments de fixation appropriés. Les tirants relient entre eux des murs opposés, conférant à la structure une plus grande cohésion et résistance aux sollicitations horizontales, telles que celles causées par des événements sismiques.

Dans l’article qui suit, nous examinerons en détail le fonctionnement des tirants et des chaînes de maçonnerie, offrant un guide pratique sur la manière de concevoir et d’installer efficacement ces dispositifs pour le renforcement des structures en maçonnerie. Nous illustrerons les principes fondamentaux de leur dimensionnement, les matériaux à utiliser et les techniques d’installation, garantissant ainsi une plus grande durabilité et sécurité du bâtiment.

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Que sont les tirants et les chaînes ?

Le terme «tirants» est utilisé en ingénierie structurelle pour désigner des éléments métalliques monodimensionnels, généralement réalisés en acier, qui sont utilisés pour renforcer les structures en maçonnerie dépourvues d’un emboîtement adéquat entre les murs.

Ces éléments ont pour fonction de garantir un comportement en boîte dans les structures en maçonnerie, grâce à l’interaction des composants suivants : 

• la chaîne : c’est l’élément principal du tirant, constitué d’une barre d’acier avec une section transversale circulaire ou rectangulaire, qui traverse la structure pour relier des murs opposés et prévenir les phénomènes de renversement. La chaîne est conçue pour résister exclusivement à des efforts de traction ;
• la clé de tirant : c’est l’élément terminal du tirant, situé aux extrémités de la chaîne, qui fonctionne par contraste et peut être de type «à croix» ou «à plaque». Cette dernière peut prendre une forme circulaire ou rectangulaire selon les besoins structurels. La clé de tirant assure le bon ancrage du tirant à la maçonnerie, permettant de régler la tension et garantissant l’efficacité du renforcement.

L’insertion de tirants est une technique de renforcement structurel très courante pour les bâtiments en maçonnerie, car elle s’avère particulièrement efficace pour l’adaptation et l’amélioration sismique. Les tirants et les chaînes aident, en effet, à prévenir le renversement hors du plan des murs et à garantir le comportement en boîte du bâtiment sous l’action sismique. Cette solution technique est considérée comme l’une des plus efficaces, simples et économiques pour intervenir sur des structures en maçonnerie existantes, tant de manière provisoire que définitive, dans l’optique de rétablir la stabilité structurelle et garantir une mise en sécurité efficace des murs en maçonnerie.

Tirant maçonnerie

Quelle est la fonction des tirants dans les maçonneries ?

Les tirants jouent un rôle fondamental en conférant stabilité et résistance aux structures maçonniques, prévenant les phénomènes d’effondrement et garantissant un comportement adéquat du bâtiment sous les différentes sollicitations. Plus précisément, ces éléments sont capables d’assurer les fonctionnalités suivantes : 

• renforcement structurel : les tirants confèrent à la structure un comportement en coque et monolithique, assurant une plus grande solidité et résistance face aux actions horizontales causées par le vent ou les tremblements de terre ;
• prévention du renversement : les chaînes contribuent à maintenir en position verticale les murs qui ne sont pas bien reliés entre eux, évitant les phénomènes de renversement hors plan qui peuvent conduire à l’effondrement de l’ensemble de la structure ;
• contraste des poussées : les tirants aident à prévenir efficacement le déplacement ou l’effondrement des murs soumis à des poussées latérales causées par des éléments poussants tels que des arcs, des voûtes ou des toits inclinés ;
• amélioration de la cohésion : en l’absence de corniches ou d’autres éléments reliant les planchers aux murs périphériques, les tirants aident à augmenter la cohésion globale de la structure et à mieux répartir les forces, reliant efficacement les différentes parties qui la composent ;
• contrôle des affaissements : en conférant un comportement en coque à la structure, les chaînes peuvent limiter les affaissements différentiels des fondations (c’est-à-dire les déplacements relatifs entre différentes parties structurelles), améliorant ainsi la stabilité générale et réduisant les mouvements entre les diverses parties du bâtiment.

Où positionner les tirants ?

Afin d’expliquer adéquatement les fonctions précédemment illustrées, il est fondamental de garantir à la fois un dimensionnement approprié des tirants et leur correcte positionnement, répondant à des besoins spécifiques de caractère statique et structurel. En particulier : 

• en plan, les tirants doivent être positionnés à proximité des murs de refend, c’est-à-dire des murs orthogonaux aux murs périphériques auxquels les tirants sont ancrés. Cela parce que les murs de refend servent d’éléments de contraste par rapport à la compression exercée par la traction des chaînes sur la structure. La proximité des murs de refend permet aux tirants de « décharger » correctement les forces de traction générées, évitant que celles-ci ne sollicitent de manière excessive et incontrôlée les murs périphériques ;
• en élévation, les tirants doivent être installés au niveau des planchers, juste en dessous de l’intrados du plafond. De cette manière, même le plafond, s’il est doté d’une dalle rigide, contribuera à contrer les forces de traction exercées par les tirants. Cette position permet donc de tirer le meilleur parti de la contribution structurelle offerte par les planchers, obtenant ainsi un meilleur comportement statique global de la structure.

Positionnement correct des tirants

6 étapes pour la mise en œuvre des tirants maçonnerie

Pour garantir un consolidement structurel efficace, la pose en œuvre des tirants maçonnerie doit se faire à travers une série de passages fondamentaux, schématisés ci-dessous : 

1. éventuel pré consolidement de la maçonnerie : si les murs concernés par l’intervention sont détériorés ou présentent une faible résistance, il est nécessaire d’abord de procéder à des injections de matériau consolidant (comme du mortier cimentaire ou des résines), afin de renforcer la maçonnerie et garantir un ancrage adéquat pour les tirants maçonnerie ;
2. réalisation de trous dans les murs : la phase suivante consiste à pratiquer des trous traversants à travers les murs à renforcer, avec un diamètre approprié, afin de permettre l’insertion ultérieure des chaînes ;
3. insertion des tirants maçonnerie : une fois les trous préparés, on procède à l’insertion des chaînes à l’intérieur des murs. Celles-ci peuvent être constituées de barres métalliques ou de câbles en acier de dimensions appropriées ;
4. création du bulbe d’ancrage : pour assurer un blocage efficace des tirants maçonnerie à l’intérieur des trous, un matériau cimentaire ou résineux est injecté sous pression, créant ainsi un bulbe d’ancrage à l’extrémité du tirant ;
5. fixation des plaques d’ancrage : aux extrémités des tirants maçonnerie, des plaques métalliques sont fixées, permettant de répartir les forces de traction sur la surface du mur et de contrer l’action de tirage ;
6. mise en tension des tirants maçonnerie : la dernière phase prévoit l’application de la tension désirée aux tirants, généralement obtenue par le serrage de boulons filetés.

Comment concevoir les tirants maçonnerie ?

Pour concevoir un tirant maçonnerie de manière à empêcher le cinétisme de renversement d’un mur en maçonnerie, on utilise le procédé de l’analyse cinématique linéaire qui prévoit les étapes suivantes : 

1. identification du cinétisme de renversement : en premier lieu, on identifie le type de cinétisme de renversement (simple ou composé) qui pourrait se produire dans le mur en maçonnerie ;
2. application du principe des travaux virtuels : on applique le principe des travaux virtuels en considérant l’équilibre des moments renversants (Mr) et stabilisants (Ms). Les premiers sont causés par les charges externes qui tendent à faire renverser le mur (comme celles sismiques), tandis que les seconds sont dus à l’action des tirants maçonnerie et au poids propre de la structure qui tendent à maintenir le mur en position ;
3. détermination du multiplicateur d’activation du mécanisme α₀ : en établissant l’équilibre des moments, on déduit le multiplicateur α₀, qui représente l’accélération horizontale déterminant l’activation du mécanisme de renversement ;
4. comparaison avec l’accélération maximale au sol attendue : la valeur α₀ est comparée avec l’accélération maximale au sol prévue pour l’état limite considéré, conformément à ce qui est établi par la réglementation technique. Si α₀ est inférieur à cette valeur, il est nécessaire de dimensionner le tirant maçonnerie pour éviter le renversement hors plan du mur ;
5. détermination du tir nécessaire : on redéfinit donc l’équilibre des moments en tenant compte également du moment stabilisant dû au tir T de la chaîne métallique. Ce dernier sera la variable à déterminer et sa valeur sera calculée en imposant l’égalité entre le moment stabilisant et le moment renversant, en attribuant au multiplicateur α la valeur de l’accélération sismique attendue au sol ;
6. distribution du tir sur les tirants maçonnerie : une fois le tir T calculé, on divise cette valeur par le nombre de tirants maçonnerie à installer sur le mur, et on obtient le tir associé à chaque chaîne individuelle (T_c) ;
7. dimensionnement de la section de la chaîne : une fois déterminé la valeur du tir T_c de chaque tirant maçonnerie, on procède à son dimensionnement à traction, en s’assurant que la chaîne puisse supporter cette force.

La vérification d’un tirant maçonnerie en acier consiste à comparer la résistance à traction de la chaîne avec la sollicitation axiale de traction agissant sur celle-ci. Cependant, ce n’est pas la seule vérification à effectuer, car il est également nécessaire de considérer la résistance au cisaillement du mur selon les mécanismes de rupture possibles et vérifier la résistance de la clé de tirant en comparant la tension qui se développe dans le système d’ancrage avec la tension de calcul à l’écrouissement de l’acier.

Le processus de vérification des tirants maçonnerie et des chaînes murales peut être considérablement simplifié en utilisant un logiciel de calcul structurel. Une solution basée sur le BIM dotée d’un solveur FEM intégré vous offrira les outils nécessaires pour effectuer des analyses structurelles avancées et obtenir des résultats fiables dans des délais très courts, tout en respectant les prescriptions fournies par la réglementation technique. Essayez gratuitement cette solution pendant trente jours et découvrez les avantages d’une conception innovante basée sur des technologies de pointe.