ÉTUDE DES MICRO PIEUX VISSÉS (DOSSIER)



Ce rapport s’adresse aux concepteurs, ingénieurs, architectes et constructeurs souhaitant avoir un aperçu général des possibilités techniques que présentent les micros-pieux vissés en acier. Les projets cités sont mentionnés à titre d’exemples pour illustrer les propos. Les thèmes abordés couvrent différents domaines comme la mécanique des sols, le calcul de structure et la technologie du bâtiment. Le document contient des éléments pratiques de conception et de construction.

Généralités sur les pieux vissés

L’expression « pieu vissé » dans ce document fait référence à un micro- pieu en acier vissé. Il s’agit en terme simple d’une grosse vis composée d’un arbre central et de filets. L’arbre centrale est un tube en acier parfois galvanisé et les filets sont des lames circulaires de formes hélicoïdales également appelées ailettes. Ce produit est installé par une machine de chantier munie d’un moteur hydraulique. (mini- excavatrice)

L’arbre central peut avoir un diamètre variant de 1 7/8’’(47 mm) à 8’’(200 mm) pour une longueur comprise entre 7’(2.00m) et 50’(15.0m). Le diamètre de l’ailette se situe typiquement entre 6’’(150mm) et 24’’(600 mm).Un accessoire (plaque spéciale par exemple) est ajouté en partie haute pour connecter la structure à supporter au pieu vissé.

Afin d’avoir un aperçu rapide des produits vissés en acier les rapports CCMC des compagnies de pieu vissé offrent un résumé des principales caractéristiques techniques. (Annexe 1*). Au canada, les compagnies de pieux vissés qui disposent d’une expérience solide et d’un avis technique du CCMC proposent des produits vissés de qualité. En France un avis technique du CSTB constitue également un bon document technique préliminaire.

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Schéma de principe d’un pieu Vissé (simple lame)

Les différents type de pieux et leurs spécificités

Les pieux vissés thermiques intérieurs

Les pieux vissés isolés intérieurement S’est une amélioration qui répond aux contraintes de l’hiver canadien. Ils sont constitués d’un arbre central creux en acier et d’un isolant en poly- uréthane introduit sur une certaine longueur a l’intérieure du tube en acier. Ce procédé de fabrication permet tout d’abord d’éviter la formation de sol gelé au niveau de l’ancrage (l’ailette) à la base du pieu en apportant une protection thermique. Le fait de remplir le pieu empêche l’eau et l’air de rentrer et de baisser la température à l’intérieur du pieu. Des tests réalisés en hivers montrent qu’une profondeur de 6’ hors gel est souhaitable avec ce type de pieux. Cette valeur minimale peut être nuancée selon la géographie du site et les conditions de sol.

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Pieu vissé thermique intérieur de type Vistech ou équivalent

Les pieux vissés thermiques extérieurs

Les pieux vissés isolés extérieurs sont une alternative proposée pour apporter une protection thermique au pieu. Dans ce cas, une gaine extérieure en polyéthylène dense recouvre le pieu comme une Chaussette. L’avantage de cette technique est que le soulèvement du au gel par adhérence le long du fut est réduite. La gaine apportée protège du même coup l’acier des attaques chimiques extérieures. Cependant, Il est important de remarquer que cette gaine extérieure peut être percée lors du vissage du pieu dans le sol par des roches ou des graviers et que son épaisseur et son adhérence doit être suffisante pour ne pas réduire le bénéfice produit.

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Pieu vissés Thermiques extérieurs type technopieu ou équivalent

 

Les pieux vissés en acier standard non protégé

Les pieux vissés en aciers sont soumis comme toute structure enterrée a des agressions chimiques dans le sol. Les réactions d’oxydo-réduction dégradent le pieu et peuvent dans le temps réduire la capacité portante de façon significative. Lentement l’oxydation va réduire l’épaisseur de la paroi du pieu le long du fût et éventuellement attaquer le pieu aux endroits les plus fragiles. Il est possible de prendre en compte cette diminution de section de façon forfaitaire en utilisant une épaisseur de paroi plus faible lorsque l’on effectue les calculs. En ce qui concerne un pieu non protégé en acier noir on peut utiliser le tableau suivant pour estimer selon le sol la corrosion :

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Pieu vissés vitesse de corosion – DTU 13.2

On retrouve dans certains devis techniques des articles qui spécifient pour des durées de vie supérieures à 20 ans des épaisseurs minimales de paroi du tube acier. Mais on dispose également de protections qui rallongent la durée de vie du pieu sans augmenter considérablement son coût (+10%). Les fabricants de pieux ont inventé des systèmes de protection physiques (gaines) et chimiques (anode sacrificielle ou galvanisation à  chaud) variés qui permettent de garantir une durée de vie optimale du pieu dans le sol.

 Les pieux vissés avec protection physique

On peut isoler le fer du milieu corrosif en le recouvrant d’une pellicule de peinture ou d’une gaine plastique. Il s’agit d’un premier niveau de protection contre la rouille. Le métal est protégé selon l’épaisseur de la couche de peinture et tant que cette couche est présente. Cette méthode est simple, rapide et économique. Mais le pieu pendant sa fabrication, son transport et son vissage dans le sol est soumis à des chocs et frottements qui peuvent occasionner des rayures. Dès lors que l’acier n’est plus recouvert, la corrosion s’amorce. Cette première protection peut s’avérer économique seulement pour des installations temporaires avec des pieux non réutilisables et dans des sols non corrosifs.

Les pieux vissés avec protection Chimique (passive)

La couche protectrice peut être apporter par réaction chimique: la pièce de fer est plongée dans un bain chaud de phosphate de zinc provoquant la formation d’une couche de phosphate de fer imperméable En cas d’éraflure du métal protecteur, le fer est mis en contact avec le milieu corrosif : on réalise alors une pile de corrosion dans laquelle c’est le métal le plus électropositif qui s’oxyde, c’est-à-dire le zinc. Cet accident n’entraîne donc pas la corrosion du fer. Exemples : *voir annexe technique galvanisation et électro-zingage.

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Pieu vissé équipé d’un dispositif d’anode passive (sacrificielle)

Remarque :  Il faut remarquer que le fait d’ajouter un tube de diamètre supérieur galvanisé et de le fixer au tube entraîne des coûts supplémentaires. Il faut découper, et souder cet élément. Pour des micro-pieux de 3 ou 4 mètres, il me semble aussi économique d’utiliser un pieu complètement galvanisés avec des résultats au moins aussi performant en terme de durabilité.

Pieux vissés avec protection électro -chimique (à courant imposé)

Cette solution est plus coûteuse mais  envisageable facilement a plus grande échelle. Le fer est relié électriquement à du zinc par exemple On a ainsi réalisé une pile de corrosion dans laquelle le fer est la cathode, siège d’une réaction de réduction : 2 H2O(l) + 2 e− = H2(g)  + 2 H0 (aq) le zinc est l’anode, siège d’une réaction d’oxydation : Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e− .On constate qu’il y a consommation de l’anode en zinc. La vitesse de corrosion du zinc peut être déterminée grâce au diagramme d’Evans. Bien entendu, la protection du fer cesse lorsque l’anode en zinc est entièrement consommée. Certains pieux vissés sont par exemple utilisés pour protéger des cuves en acier enterrées ou immergée.

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Principe de protection chimique et électrochimique d’un pieu vissé

Domaine d’Application

Les différents domaines d’application

Les micro- pieux vissés trouvent leurs applications dans la construction neuve aussi bien que dans le domaine des réparations. Le tableau suivant présente un résumé des types de constructions selon les secteurs d’activité :

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Les possibilités d’application

Le pieu vissé est un système de fondation utilisé généralement lorsque les conditions de sol ne permettent pas de réaliser des fondations standard en béton armé. Il y a cependant beaucoup de situations dans lesquelles les pieux vissés peuvent s’avérer utiles comme les travaux éloignés ou les sites difficilement accessibles pour les moyens conventionnels de fondation en béton armé, les sites en zones humides ainsi que les sites en cours d’exploitations. Les pieux vissés sont également très utilisés pour tout type de constructions temporaires (bâtiment de chantiers ou de spectacle par exemple).

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Description des produits vissés

Les caractéristiques physiques et chimiques de base
Nuance d’acier 350 MPA conforme à la norme G40.20/G40.21  (Grade C)
Soudure à l’arc Conforme à la norme CSA W59-M1989
Galvanisation à chaud Conforme à la norme CAN/CSA-G164
Isolant thermique Mousse de polyuréthanne
Les différentes étapes de fabrication du pieu vissé

Dans une usine de manufacture de pieux vissés, la fabrication des produits vissés se fait en deux temps. On fabrique la partie centrale du pieu, puis l’ailette et enfin on soude les deux éléments ensemble et pour finir on applique la protection (peinture ou galvanisation). Les principales étapes sont mentionnées ci-dessous.

Les tuyaux d’acier sont généralement achetés en longueur de 20’ ou  30′  mais selon les fournisseurs d’acier, les grandeurs standards peuvent varier. Ils sont stockés dans des paniers en acier.
Les tubes sont transportés puis positionnés sur une machine puis découpé à froid pour la longueur standard désirée .

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Découpage tube d’acier

La fabrication de l’hélice est une étape plus complexe. Il faut en effet découper dans une feuille d’acier au plasma un cercle ouvert puis plier cette plaque et lui donner une forme d’hélice. Les paramètres de fabrication sont le pas d’ouverture de l’hélice, le diamètre de l’hélice et le diamètre du tube central.

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Découpage au plasma

La soudure du pieu et de l’ailette (hélice) est une soudure à plat . Elle est réalisée sur chaque bord de l’hélice et tout le long de celle-ci.
La protection qu’elle soit galvanique à chaud ou peinte à froid doit être effectuer à cette étape du processus. Une préparation de surface est parfois requise (chimique ou physique).
Le pieu est introduit dans un bain de galvanisation pour être entreposé par la suite.

*Remarque de fabrication:

Le micro pieu vissé en acier est constitué d’un tube en acier fabriqué en soudant une feuille d’acier après l’avoir repliée sur elle-même. Il est important de noter que le profilé ainsi fabriqué présente une soudure à l’intérieur du tube qui peut être longitudinale droite ou hélicoïdale. Certains profilés sont fabriqués avec une technique de perçage et ne présentent donc pas cette soudure.

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vue en coupe d’un tube d’acier standard fabriqué par pliure

 

Cette soudure intérieure peut être variable selon les fabricants de profilé et le diamètre du tube recherché. Il faut donc porter attention à ce détail qui pourrait empêcher le pieu d’être assemblé avec un tube de diamètre inférieur si celui-ci est trop proche en diamètre. A noter que si le pieu est galvanisé, la galvanisation intérieure vient également diminuer le diamètre de la pièce intérieur pouvant entrer dans le pieu.

 Conception et calcul

La conception des pieux vissés en acier repose sur l’analyse de sol, l’analyse de la structure à supporter et l’analyse des éléments constitutifs du pieu. Le schéma suivant rend compte des principaux paramètres à déterminer :

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Vérifications de structure – Design

 Évaluation des charges

La plus part du temps on peut négliger le poids propre du pieu à moins qu’il soit d’un diamètre important et rempli de béton.

L’évaluation des charges est commune à toute conception selon un code national utilisant des charges forfaitaires, temporaires ou permanentes, réparties ou concentrées, mortes ou vives. Un système de coefficient et de pondération est défini dans les codes (américains, européens et canadiens). Les charges peuvent être modélisées par des forces verticales, horizontales, moments.

Identifier les charges :

Charges permanentes de compressions (dalle en béton et murs en bois ou en béton, équipement, matériaux)
Charges permanentes de traction (hauban, contreventement, soulèvement spécial)
Charge latérales (principalement induite par le vent sur un bâtiment ou de service)

Les charges typiques mentionnées dans le tableau comportent des coefficients de sécurité et sont générales. Elle donne une bonne idée de la plage de variation optimale pour les systèmes de micro -pieux vissés en acier.

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Tableau d’estimation des charges

Méthode de calcul en sol pulvérulent

A partir des données publiées par trois entreprises qui proposent le même produit on a tracé sur ce graphique l’évolution de la capacité en compression d’un pieu en fonction du couple de serrage de la machine d’installation.

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On remarque en effet que cette relation est linéaire. Il est important de noter que cette relation n’est valable que dans un sol pulvérulent, c’est-à-dire un sable, un gravier, un silt ou un mélange des trois. Dans le cas d’un pieu vissé dans un sol cohérent type argile il n’existe pas de corrélation entre le couple de serrage et capacité portante verticale. Il faut donc utiliser d’autres relations de calcul. Dans le cas d’un sol inconnu, ce graphique peut servir d’indication mais sans constituer une preuve de la nature du sol.

Méthode de calcul en sol cohérent

En présence d’un sol cohérent, il est préférable  d’effectuer plusieurs tests de chargement afin d’obtenir une valeur précise des déformations en fonction de la charge appliquée. On peut utiliser avec prudence la relation suivante :

Rs = 3  Cu d2 

R Capacité portante admissible (kN)
Cu (ND) R  au cisaillement non drainé minimal à la profondeur de l’ailette
D Diamètre de l’ailette (m)

Le tableau ci-dessus présente la capacité portante d’un pieu selon le diamètre de l’hélice en utilisant la relation (3.0).

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Capacité d’un pieu dans un sol type argile

Voici les liens vers les précédents articles publiés sur le même sujet.
Certaines informations sont redondantes.

Exemple de devis technique pour pieux vissés    24 juin 2012
Méthode test pour pieux (partie 1)  11 Septembre 2012
Méthode test pour pieux (partie 2)    2 décembre  2012
Calcul de dallage sur pieu  20 octobre 2012
Exemple de fondation sur pieux vissés   6 juin 2012
Protection physique et chimique des produits vissés   30 juin 2012

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