Coût de Construction d'un Escalier en Béton
Contexte : L'estimation des coûts en BTP.
L'un des aspects cruciaux de la gestion de projet en bâtiment est l'estimation précise des coûts. Un escalier en béton, bien que commun, est un ouvrage complexe dont le prix dépend de multiples facteurs : le volume de béton, la quantité d'acier, le coût de la main-d'œuvre pour le coffrage et le ferraillage, etc. Cet exercice vous guidera à travers le calcul détaillé du coût déboursé secLe coût déboursé sec représente la somme des dépenses directes pour les matériaux et la main-d'œuvre, sans inclure les frais généraux, les taxes ou la marge de l'entreprise. d'un escalier droit.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à décomposer un ouvrage en tâches élémentaires (coffrage, ferraillage, bétonnage) et à quantifier les matériaux et la main-d'œuvre pour établir un budget précis, une compétence fondamentale pour tout technicien ou ingénieur en BTP.
Objectifs Pédagogiques
- Calculer le volume de béton nécessaire pour un escalier droit.
- Estimer la quantité d'acier pour le ferraillage.
- Déterminer le coût des matériaux (béton, acier) et de la main-d'œuvre.
- Calculer le coût total déboursé sec de l'ouvrage.
Données de l'étude
Schéma de l'Escalier
Paramètre | Description | Valeur | Unité |
---|---|---|---|
Hauteur à monter (H) | Différence de niveau | 3.00 | m |
Longueur de la projection (L) | Projection horizontale de l'escalier | 4.00 | m |
Largeur de l'escalier (l) | Emmarchement | 1.20 | m |
Épaisseur de la paillasse | Structure portante de l'escalier | 0.15 | m |
Ratio d'acier | Quantité moyenne d'acier par m³ de béton | 80 | kg/m³ |
Questions à traiter
- Calculer le nombre de marches, la hauteur (h) et le giron (g) en utilisant la formule de Blondel.
- Calculer le volume total de béton nécessaire pour la paillasse et les marches.
- Calculer le coût total des matériaux (béton et acier).
- Calculer le coût de la main-d'œuvre et le coût déboursé sec total de l'escalier.
Les bases du métré d'ouvrages
Le métré est l'ensemble des calculs permettant d'évaluer les quantités de matériaux et le coût d'une construction. Pour un escalier, on décompose l'ouvrage en plusieurs parties.
1. Formule de Blondel
Pour assurer le confort et la sécurité d'un escalier, la relation entre la hauteur de marche (h) et le giron (g) doit respecter la formule de Blondel :
\[ 60 \text{ cm} \le (2h + g) \le 64 \text{ cm} \]
2. Calcul des volumes
Le volume de béton se décompose en deux parties : la paillasse (une dalle inclinée) et les marches (des prismes triangulaires).
- Volume paillasse = Longueur inclinée × largeur × épaisseur
- Volume marches = (Nombre de marches × (h × g / 2)) × largeur
Correction : Coût de Construction d'un Escalier en Béton
Question 1 : Calcul des dimensions des marches (Formule de Blondel)
Principe
Le concept physique ici est l'ergonomie. Pour qu'un escalier soit confortable et sûr, la foulée de l'utilisateur doit être naturelle. La formule de Blondel traduit cette contrainte biomécanique en une relation géométrique simple entre la hauteur et la profondeur des marches.
Mini-Cours
La formule de Blondel, \(2h + g \approx 63 \text{ cm}\), est une relation empirique développée par l'architecte François Blondel au XVIIe siècle. Elle est basée sur la longueur moyenne d'un pas sur un sol plat (environ 63 cm). L'idée est que l'effort pour monter (2h) ajouté à la distance parcourue horizontalement (g) doit être équivalent à un pas naturel.
Remarque Pédagogique
L'approche consiste toujours à partir d'une estimation. On ne peut pas trouver h et g directement. On fixe donc une variable (souvent le nombre de marches N, en partant d'une hauteur h idéale de ~17 cm), puis on calcule les autres pour voir si la solution est acceptable. C'est une démarche itérative.
Normes
En France, la norme NF P01-012 (Dimensions des escaliers) et le Code de la construction et de l'habitation encadrent les dimensions des escaliers dans les bâtiments résidentiels et publics, en précisant des valeurs limites pour h et g, et en rendant la formule de Blondel quasi-obligatoire.
Formule(s)
Formule de Blondel
Relations géométriques
Hypothèses
On suppose que toutes les marches sont de hauteur identique, ce qui est une exigence réglementaire pour la sécurité. On suppose également que la première marche commence au niveau inférieur et que la dernière marche arrive exactement au niveau du plancher supérieur.
Donnée(s)
- Hauteur totale (H) = 3.00 m
- Longueur horizontale (L) = 4.00 m
Astuces
Pour estimer rapidement le nombre de marches, divisez la hauteur totale en centimètres par 17 (une hauteur de marche très courante). Vous obtiendrez une bonne première approximation à arrondir.
Schéma (Avant les calculs)
Décomposition de l'escalier
Calcul(s)
Étape 1 : Estimation du nombre de marches (N)
Étape 2 : Calcul de la hauteur de marche (h) réelle
Étape 3 : Calcul du giron (g)
Étape 4 : Vérification avec la formule de Blondel
Schéma (Après les calculs)
Dimensions d'une marche
Réflexions
Le résultat de 56.9 cm est en dehors de l'intervalle idéal [60, 64] cm. Cela signifie que l'escalier sera peu confortable car les marches ne sont pas assez profondes, obligeant à une montée "hachée". En conditions réelles de conception, un ingénieur ou architecte devrait revoir les dimensions globales (augmenter L ou diminuer H si possible) ou changer le type d'escalier (ex: avec palier).
Points de vigilance
L'erreur la plus commune est d'oublier que le nombre de girons est N-1, car il n'y a pas de giron pour la dernière marche qui arrive sur le palier. Une autre erreur est de mal gérer les unités (m vs cm) lors de la vérification de Blondel.
Points à retenir
Pour concevoir un escalier, il faut maîtriser la relation entre Hauteur totale, Longueur totale, et les dimensions (h, g) et le nombre (N) des marches. La formule de Blondel est le critère de validation final pour le confort.
Le saviez-vous ?
François Blondel (1618-1686) était un architecte et mathématicien militaire. Sa célèbre formule est l'un des premiers exemples de conception architecturale basée sur l'ergonomie et l'étude du corps humain, bien avant que le terme "ergonomie" n'existe.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Si la hauteur à monter était de 2.80 m, quel serait le nombre de marches optimal (le plus proche de h=17cm) ?
Question 2 : Calcul du volume de béton
Principe
Le concept physique est la décomposition d'un volume complexe en une somme de volumes géométriques simples. L'escalier est modélisé comme une dalle inclinée (un prisme droit à base rectangulaire, la paillasse) surmontée d'une série de petites cales triangulaires (prismes droits à base triangulaire, les marches).
Mini-Cours
Le calcul du volume d'un prisme droit est toujours : \( V = \text{Aire de la base} \times \text{hauteur (ou largeur ici)} \). Pour la paillasse, la base est un rectangle de dimensions (Longueur inclinée × épaisseur). Pour les marches, la base est un triangle rectangle de côtés (h × g), et son aire est \( (h \times g) / 2 \).
Remarque Pédagogique
Le conseil est de toujours calculer les éléments séparément avant de les additionner. Cela limite les erreurs de calcul et permet de vérifier plus facilement chaque étape. Calculez d'abord la paillasse, puis le volume d'une seule marche, puis le volume de toutes les marches, et enfin additionnez.
Normes
Il n'y a pas de norme spécifique pour le calcul de volume, c'est de la géométrie pure. Cependant, les normes de construction (comme l'Eurocode 2 pour le béton) imposeront des épaisseurs minimales pour la paillasse en fonction de sa portée, ce qui influence directement le volume.
Formule(s)
Théorème de Pythagore
Volume total
Hypothèses
On suppose que les formes sont parfaitement géométriques, sans défauts de construction. On néglige le volume occupé par les armatures en acier (ce qui est une simplification standard, car il est très faible par rapport au volume de béton).
Donnée(s)
- H = 3.00 m, L = 4.00 m, largeur l = 1.20 m
- épaisseur paillasse e = 0.15 m
- N = 18, h = 0.167 m, g = 0.235 m
Astuces
Reconnaissez le triangle rectangle (3, 4, 5) ! Si H=3 et L=4, la longueur inclinée sera immédiatement de 5 m, sans avoir besoin de calculer la racine carrée. C'est un triplet pythagoricien très courant en construction.
Schéma (Avant les calculs)
Volumes à calculer
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul de la longueur inclinée de la paillasse (L_inclinée)
Étape 2 : Calcul du volume de la paillasse (V_paillasse)
Étape 3 : Calcul du volume des marches (V_marches)
Étape 4 : Calcul du volume total de béton (V_total)
Schéma (Après les calculs)
Volumes Calculés
Réflexions
Le volume de la paillasse (0.90 m³) est plus du double de celui des marches (0.424 m³). Cela montre que la structure portante de l'escalier est l'élément qui consomme le plus de béton, et non les marches elles-mêmes.
Points de vigilance
Attention à bien utiliser des unités cohérentes (tout en mètres) pour les calculs de volume. Une erreur fréquente est de mélanger centimètres et mètres. Assurez-vous que h et g sont convertis en mètres avant de calculer le volume des marches.
Points à retenir
La méthode clé est la décomposition. Tout ouvrage complexe en BTP peut être décomposé en formes géométriques simples (cubes, prismes, cylindres) pour en calculer les quantités de matériaux.
Le saviez-vous ?
Le béton armé a été popularisé par un jardinier, Joseph Monier, en 1867. Il cherchait à fabriquer des pots de fleurs plus résistants et a eu l'idée d'intégrer une armature métallique dans le ciment, créant sans le savoir l'un des matériaux de construction les plus importants de l'ère moderne.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Si l'épaisseur de la paillasse était de 20 cm au lieu de 15 cm, quel serait le nouveau volume total de béton (en m³) ?
Question 3 : Calcul du coût des matériaux
Principe
Le concept économique de base est que le coût total d'une ressource est le produit de la quantité nécessaire par son prix unitaire. On applique ce principe simple au béton et à l'acier, les deux matériaux principaux de notre ouvrage.
Mini-Cours
En estimation de coûts, on utilise des "ratios" pour simplifier les calculs. Le ratio d'acier (en kg/m³) est une valeur moyenne issue de l'expérience sur des ouvrages similaires. Il permet d'estimer rapidement la quantité d'acier sans avoir à faire une étude de ferraillage détaillée, ce qui est suffisant pour une première estimation budgétaire.
Remarque Pédagogique
Soyez très attentif aux unités des prix et des quantités. Le prix du béton est en €/m³, donc la quantité doit être en m³. Le prix de l'acier est en €/kg, donc la quantité doit être en kg. La cohérence des unités est la clé pour ne pas faire d'erreurs.
Normes
Les prix unitaires ne sont pas normalisés, ils dépendent du marché, des fournisseurs et de la localisation du chantier. Cependant, les ratios d'acier peuvent être tirés de publications techniques ou de bases de données de prix (ex: Batiprix) qui font référence dans la profession.
Formule(s)
Coût d'un matériau
Quantité d'acier
Hypothèses
On suppose que les prix unitaires fournis sont fixes et incluent la livraison sur chantier. On suppose que le ratio d'acier de 80 kg/m³ est une moyenne représentative pour ce type d'escalier simple.
Donnée(s)
- Volume de béton : 1.324 m³
- Prix du béton : 150 €/m³
- Prix de l'acier : 1.20 €/kg
- Ratio d'acier : 80 kg/m³
Astuces
Pour vérifier un ordre de grandeur, sachez que le prix de l'acier est souvent autour de 10-20% du prix du béton pour un ouvrage standard. Si vous trouvez un coût d'acier supérieur au coût du béton, il y a probablement une erreur.
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul du coût du béton
Étape 2 : Calcul du poids total d'acier
Étape 3 : Calcul du coût de l'acier
Étape 4 : Coût total des matériaux
Réflexions
Le coût total des matériaux est de 325.70 €. Le béton représente environ 61% de ce coût et l'acier 39%. Bien que la quantité d'acier soit faible en poids, son prix unitaire élevé lui donne un poids significatif dans le budget matériaux.
Points de vigilance
Ne confondez pas le prix de l'acier "brut" (en barres) et le prix de l'acier "fourni, coupé, façonné". Ce dernier, utilisé ici, est plus élevé car il inclut le travail de préparation en atelier, mais il simplifie le calcul du coût de la main-d'œuvre sur chantier.
Points à retenir
Le coût des matériaux s'obtient en deux étapes : 1. Quantifier les métrés (volumes, surfaces, poids). 2. Appliquer les prix unitaires correspondants. La précision des métrés et des prix unitaires est essentielle pour un budget fiable.
Le saviez-vous ?
Le prix du béton peut varier énormément (parfois du simple au double) en fonction de sa classe de résistance (ex: C25/30), de sa composition (adjuvants), de la distance de la centrale au chantier, et du volume commandé. Un petit volume comme celui-ci coûte proportionnellement plus cher au m³.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Si le prix du béton augmentait à 170 €/m³ et celui de l'acier à 1.50 €/kg, quel serait le nouveau coût total des matériaux ?
Question 4 : Calcul du coût de la main-d'œuvre et déboursé sec
Principe
Le concept est de quantifier le travail humain non pas en euros directement, mais en temps (heures). Chaque tâche élémentaire (coffrer, ferrailler, couler) est associée à un "temps unitaire" ou "rendement". Le coût est ensuite obtenu en multipliant le temps total par le coût horaire de l'ouvrier.
Mini-Cours
Le déboursé secLe coût déboursé sec représente la somme des dépenses directes pour les matériaux et la main-d'œuvre, sans inclure les frais généraux, les taxes ou la marge de l'entreprise. est un terme fondamental en étude de prix. Il représente le coût "plancher" d'un ouvrage, ce qu'il coûte réellement à l'entreprise en matériaux et salaires directs. Pour obtenir le prix de vente final, l'entreprise ajoutera à ce déboursé sec ses frais généraux (loyer, salaires indirects, etc.), les aléas et sa marge bénéficiaire.
Remarque Pédagogique
La plus grande difficulté ici est de bien identifier la bonne "unité" pour chaque temps unitaire. Le coffrage se mesure en surface (m²), le ferraillage en poids (kg), et le bétonnage en volume (m³). Il faut donc calculer ces quantités intermédiaires avant de pouvoir calculer les heures de travail.
Normes
Le coût horaire de la main-d'œuvre est défini par les conventions collectives du bâtiment, qui fixent les salaires minimaux par qualification. L'entreprise y ajoute ensuite les charges sociales et patronales pour obtenir le coût horaire "chargé", qui est celui utilisé dans les calculs de déboursé.
Formule(s)
Temps de main d'œuvre (MO)
Déboursé Sec
Hypothèses
On suppose que les temps unitaires donnés sont réalistes pour une équipe de compagnons qualifiés et dans des conditions de chantier normales. On suppose que le coût horaire de 25 € est un coût moyen "chargé" pour l'entreprise.
Donnée(s)
- Temps unitaires : Coffrage (3.5 h/m²), Ferraillage (0.05 h/kg), Bétonnage (1.5 h/m³)
- Coût horaire MO : 25 €/h
- Quantités calculées : V=1.324 m³, Poids acier=105.92 kg
Astuces
Dans les ouvrages en béton armé sur site, le poste "coffrage" est presque toujours le plus coûteux en main-d'œuvre. C'est une tâche complexe, précise et longue. Si votre calcul final montre que le bétonnage coûte plus cher que le coffrage, il y a probablement une erreur.
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul des heures de main-d'œuvre (MO)
Étape 2 : Calcul du coût de la main-d'œuvre
Étape 3 : Calcul du déboursé sec total
Schéma (Après les calculs)
Répartition du Coût Total
Réflexions
Le coût total de l'escalier est de 1179.20 €. La main-d'œuvre (853.50 €) représente 72% de ce coût, tandis que les matériaux (325.70 €) ne représentent que 28%. Cette répartition est typique des ouvrages en béton réalisés sur mesure sur un chantier, où le temps de préparation et de mise en œuvre est prépondérant.
Points de vigilance
Le calcul de la surface de coffrage est une simplification. En réalité, il faudrait détailler la sous-face, les joues (limons), et les contremarches, ce qui donnerait une surface légèrement supérieure. Pour une estimation, cette approche reste cependant acceptable.
Points à retenir
Le coût d'un ouvrage se décompose en coût des matériaux et coût de la main-d'œuvre. La main-d'œuvre se calcule en multipliant un temps de travail (obtenu via des ratios) par un coût horaire. La somme des deux donne le déboursé sec.
Le saviez-vous ?
Pour réduire le coût très élevé du coffrage sur chantier, l'industrie du BTP a développé les escaliers préfabriqués en usine. Ils sont coulés dans des moules en acier réutilisables des centaines de fois, puis livrés et posés sur le chantier par une grue en quelques heures seulement, réduisant drastiquement le coût de main-d'œuvre sur site.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Si le coût horaire de la main d'œuvre passait à 30 €/h, quel serait le nouveau coût déboursé sec total ?
Outil Interactif : Simulateur de Coût
Utilisez cet outil pour voir comment le coût de l'escalier change en fonction du prix du béton et du coût de la main-d'œuvre.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Quel poste représente généralement la plus grande part du coût d'un escalier en béton coulé en place ?
2. Si la hauteur à monter est de 2.70 m, combien de marches de 18 cm de hauteur faudrait-il ?
- Déboursé Sec
- Somme des coûts directs des matériaux et de la main-d'œuvre nécessaires à la réalisation d'un ouvrage, hors frais généraux, marge et taxes.
- Formule de Blondel
- Relation empirique (2h + g ≈ 63 cm) qui garantit le confort et la sécurité d'un escalier en liant la hauteur de marche (h) et le giron (g).
- Paillasse
- Dalle en béton armé, généralement inclinée, qui constitue la structure portante des marches d'un escalier.
- Giron
- Distance horizontale entre les nez de deux marches consécutives.
D’autres exercices de chantiers et ouvrages:
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