Technique de fixation

Ancrages métalliques dans la maçonnerie en pierre naturelle

Texte et photos : Mario Russi, membre de la commission technique de Metaltec Suisse et ingénieur en construction métallique, en verre et de façades, Cladding SA

Tandis que le béton et la brique sont normalisés et calculables en théorie, la maçonnerie en pierre naturelle se comporte différemment en fonction de l’âge, de la région et de la technique de réalisation. Une planification précise de l’ancrage est délicate et s’accompagne d’incertitudes. Sur un mètre carré de surface de maçonnerie, une cheville peut être ancrée dans ce qui semble être le meilleur support alors qu’il se situe à côté d’une cavité. La vie intérieure de la maçonnerie est invisible de l’extérieur.

Mécanismes de rupture

Pour planifier et réaliser des ancrages, il faut connaître les mécanismes de rupture. Une augmentation de la section de la cheville ne s’accompagne pas nécessairement d’une hausse proportionnelle de la résistance à l’arrachement. D’après la norme SIA 179:2019, divers mécanismes de rupture peuvent être définis pour la maçonnerie en pierre naturelle. Les mécanismes de rupture de la maçonnerie et ceux de la pierre naturelle sont comparables.

a) Rupture de l’acier
Dans le cas de la rupture de l’acier, la cheville casse sur une section en acier pure. Si la rupture de l’acier devient déterminante pour une cheville, le concepteur peut réagir en agrandissant la section ou en choisissant un acier de meilleure qualité. Au lieu d’une cheville de diamètre M12 de qualité 5.8, on utilise une cheville de diamètre M16 ou de qualité 8.8 ou en acier inoxydable A4-70 pour l’extérieur.

b) Arrachement
Une cheville peut être entièrement extraite du perçage malgré l’adhésion. Il est possible que l’adhésion soit insuffisante sur la cheville ou au bord du perçage. L’adhésif peut aussi rompre. Malgré un ancrage profond, le grès est incapable de reprendre des efforts importants alors qu’un massif en granite peut éliminer d’énormes efforts pour une faible surface d’adhésion. Le perçage à percussion peut aussi se révéler intéressant, car il rend la surface de perçage rugueuse. Il faut faire preuve de prudence lors du perçage à percussion d’une maçonnerie en pierre naturelle. Si l’arrachement constitue la cause de rupture déterminante, on peut modifier l’adhésif, rendre la surface du perçage rugueuse ou augmenter la profondeur d’ancrage.

c) Rupture de la roche
Comme pour la rupture du cône de béton, bien connue et étudiée, une rupture de la roche peut se produire dans le cas de la maçonnerie. Le cône de rupture se forme dans la pierre. Le risque d’une rupture de la roche peut être réduit en approfondissant l’ancrage. Un diamètre de cheville plus généreux peut s’avérer bénéfique, car les efforts agissent plus en profondeur du fait de la résistance accrue de la cheville.

d) Arrachement de la pierre
Sur une maçonnerie en pierre naturelle, l’arrachement de la pierre représente un autre mécanisme de rupture important. Une cheville ancrée idéalement peut entièrement fissurer la roche si les efforts y sont propices. Un ancrage plus profond est susceptible de réduire le risque d’arrachement de la pierre.

Les mécanismes de rupture sont similaires pour les efforts de cisaillement. On parle ici de rupture de l’acier avec ou sans bras de levier, de rupture de la pierre, de rupture de l’arête de la pierre et d’arrachement de bordures.
 

 

« Pour planifier et exécuter des ancrages, il faut connaître les mécanismes de rupture. » Mario Russi

 

Montage des chevilles

Le montage des chevilles peut engendrer la rupture d’une maçonnerie en pierre naturelle.
Si les trous accueillant les chevilles sont réalisés par perçage à percussion, les vibrations sont susceptibles de détacher des pierres des joints de mortier, ce qui favorise l’arrachement de la pierre. Le perçage d’avant-trou par foret hélicoïdal est avantageux dans de telles situations. Pour cette technique, la surface du trou doit être très lisse. Il faut choisir le bon adhésif, qui contient typiquement une résine époxy. Si un adhésif inadapté est sélectionné, l’ancre risque de s’arracher, car elle s’accroche insuffisamment à la pierre.
L’expérience montre que l’injection d’adhésif dans le perçage dans une maçonnerie en pierre naturelle peut être fastidieuse. Du fait des cavités dans la maçonnerie, il faut guider l’adhésif. Des maillages, le terme employé pour des chevilles insérées dans de la maçonnerie en briques, peuvent être utiles tant que l’adhésif n’est pas trop liquide, ce qui est souvent le cas pour des adhésifs à base de résine époxy.  

 

Sur un immeuble de référence de l’auteur caractérisé par de profonds ancrages, les monteurs ont choisi une démarche alternative. Les trous ont été réalisés à l’aide d’un foret hélicoïdal pour avant-trou avant d’être remplis de mousse puis repercés à l’aide d’un foret lors d’une seconde passe, ce qui a permis d’économiser beaucoup d’adhésif. Il faut toutefois étudier la compatibilité des matériaux. Lors de la fixation de la construction, il faut veiller à ce que le couple qui s’exerce sur la cheville ne soit pas excessif. Un couple trop élevé peut occasionner un important effort de traction. La cheville peut être arrachée pendant le montage même. Des essais ont montré qu’un effort de 700 à 800 kg s’applique pour un couple de 30 à 35 Nm sur des tiges filetées M20 en acier inoxydable.

Résistance dimensionnée des ancrages

Les chevilles insérées dans le béton sont bien analysées et statistiquement suffisamment étudiées pour qu’un dimensionnement basé sur la théorie soit possible. Chaque fournisseur de cheville sérieux propose des programmes de calcul et des agréments. Mais tel n’est pas le cas pour la maçonnerie en pierre naturelle. Comme chaque maçonnerie se caractérise par une structure et des matériaux différents, il est impossible d’établir un modèle statistique suffisamment robuste. Il ne reste que les essais pratiques sur l’édifice.

 

  

Dans les essais dits d’arrachement, la norme SIA 179:2019 fait la distinction entre deux procédés. La charge maximale est calculée lors de la détermination de la capacité portante jusqu’à la rupture. La maçonnerie peut subir des dégâts, car la cheville reste sollicitée jusqu’à sa propre rupture.
L’essai de charge constitue le second procédé. L’ingénieur ou le concepteur définit un effort qui s’applique à la cheville. Cet effort doit être maintenu intégralement pendant une minute. Le déplacement doit se stabiliser sur cette durée. Ce procédé permet d’éviter les dégâts sur la maçonnerie. Plusieurs essais doivent être entrepris pour garantir une précision suffisante.
La norme SIA 179:2019 définit la conception des appareils de traction d’ancrage. Les appuis doivent être séparés par une distance d’au moins deux fois la profondeur d’ancrage (distance mesurée entre l’axe de l’ancre et le début du sabot). Si la distance est trop faible, la rupture de la roche et l’arrachement de la pierre ne peuvent être suffisamment identifiés. L’appareil de traction d’ancre s’appuie éventuellement sur la même pierre sur laquelle peut être étudié l’arrachement de pierre. L’effort d’arrachement qui en résulte est alors repris.

 

Redondance statique

Malgré les essais de traction d’ancres, il est judicieux d’introduire des redondances dans la conception. Ces redondances peuvent être intégrées en veillant à ce que la rupture théorique de certaines chevilles n’entraîne pas la ruine des chevilles restantes et de toute la construction. L’effet fermeture éclair est ainsi exclu. Le modèle statique doit être construit en conséquence.

Conclusion

Il est également possible de réaliser des ancrages structuraux dans de la maçonnerie en pierre naturelle. Il est conseillé d’introduire des redondances statiques. Il faut faire preuve de beaucoup de minutie lors du montage. Les résistances dimensionnées ne peuvent être déterminées qu’à l’aide d’essais de traction pratiques.

Renseignements complémentaires : www.cladding.ch ■