Pont à poutres : origines et types

pont à poutres origines et types
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Le pont à poutres est probablement le plus ancien principe statique utilisé de manière ciblée par l’homme pour surmonter un obstacle avec une construction. Dans sa forme la plus simple, le système est facile à comprendre, d’autant plus que la nature donne parfois naissance à un pont à poutres, sans aucune intervention humaine.

Un arbre déraciné qui était tombé sur le cours d’une rivière, de sorte qu’il se prêtait à la traversée de l’eau, était certainement un modèle qui pouvait être facilement imité. Partout dans le monde, depuis la nuit des temps, des ponts de poutres en bois ont été construits dans des régions boisées et rendus plus ou moins confortables. Il suffisait de placer plusieurs troncs d’arbres les uns à côté des autres pour construire un meilleur pont. En les reliant par des traverses et en les recouvrant de feuilles ou de sable, il était possible de construire un ouvrage qui pouvait être utilisé confortablement par les hommes et les animaux et qui pouvait également durer un certain temps.

🌉 Histoire des ponts à poutresUtilisé depuis la préhistoire, inspiré par la nature
🌳 Ponts en boisConstruits mondialement, limités par la longueur des arbres
🪨 Ponts en pierreClapper Bridges en Angleterre, limités par la tension de la pierre
📐 Principe structurelDépend de la résistance à la flexion et des matériaux
🔩 Poutres en treillisCombinaison de bois et de fer, économie de matériau
🚂 Ponts ferroviairesUtilisation fréquente dans la construction ferroviaire
🌁 Evolution des matériauxTransition du bois au fer puis à l’acier
🔗 Ponts tubulairesInvention de Stephenson, ponts ferroviaires innovants
🏗️ Construction préfabriquéeAssemblage plus précis et sécurisé
🏢 Ponts en béton arméMoins coûteux, utilisés pour les petites portées

🌉Le principe structurel d’un pont à poutres

Outre les ponts en bois, il existe également des exemples précoces de ponts à poutres en pierre, comme les Clapper Bridges (ponts à clapets) dans le sud de l’Angleterre. Toutefois, la portée possible de ces ponts en pierre naturelle est très limitée, car ce matériau ne peut pas supporter de grandes contraintes de traction. D’un point de vue statique, la capacité de charge d’une poutre repose uniquement sur sa résistance à la flexion, qui dépend du type et de la quantité de matériau ainsi que de sa géométrie. En d’autres termes, la résistance interne de la poutre doit être suffisamment importante pour empêcher sa destruction par sa propre masse plus la charge de trafic appliquée.

origines des ponts à poutres

Le système d’un pont à poutres simple est constitué d’une poutre horizontale sur deux appuis, appelée « poutre sur deux appuis ». La masse propre d’une telle poutre et la charge de trafic appliquée agissent sur la poutre, de sorte qu’elle se déforme (fléchit) plus ou moins, jusqu’à sa destruction. La charge génère des contraintes de compression sur la partie supérieure de la poutre, car elle est comprimée à cet endroit, et des contraintes de traction sur la partie inférieure, car elle est étirée à cet endroit.

Les matériaux qui ne peuvent supporter que de faibles contraintes de traction, comme la pierre naturelle, le béton non armé ou la fonte, atteignent très vite leurs limites avec un tel système. Plus la portée est grande, plus la poutre doit être massive pour être suffisamment stable pour supporter les charges. Si la portée augmente encore, on atteint finalement un point où une poutre s’effondrerait par sa seule masse, sans qu’aucune charge de circulation ne pèse sur elle. L’art de la construction de ponts consiste en fait à obtenir la portée requise ainsi que la capacité de charge nécessaire avec le moins de matériaux possible, c’est-à-dire à moindre coût.

📐Les différents types de pont à poutres

🌳Pont à poutres en bois

Pour des raisons pratiques, les ponts à poutres en pierre naturelle étaient plutôt l’exception à l’époque préhistorique, car il est rare de trouver des pierres de forme naturelle qui répondent aux exigences d’un tel ouvrage. De plus, le travail du matériau et son transport jusqu’au chantier devaient être effectués à la force des bras, ce qui était particulièrement pénible. Jusqu’à la production industrielle de grandes quantités de fer, les ponts à poutres étaient donc principalement construits en bois, car c’était jusqu’alors le seul matériau de construction qui pouvait être soumis à des contraintes de traction importantes.

Mais même les ponts à poutres en bois se heurtent rapidement à leurs limites en termes de portée réalisable, ne serait-ce qu’en raison de la longueur des troncs d’arbres disponibles. En théorie, il est possible d’augmenter la longueur totale d’un pont à poutres à volonté en disposant un grand nombre de ces « poutres sur deux piliers » les unes derrière les autres. Mais cela nécessite des piliers intermédiaires dont la fondation durable (par exemple dans le lit d’une rivière) est un défi technique qui n’a pas toujours été relevé. En 55 av. J.-C. (probablement près de Neuwied ou de Bonn), Jules César fit construire par ses légionnaires un pont à poutres en bois avec de nombreuses travées individuelles, devenu célèbre, qui fut détruit quelques jours plus tard.

La réalisation de piles intermédiaires n’est pas toujours et partout possible, elle entrave la navigation et constitue un obstacle massif à l’écoulement en cas de crue ou de glaciation. L’une des principales missions de la construction de ponts a donc toujours été d’augmenter la portée au-delà de la simple longueur des matériaux de construction disponibles. L’une des premières idées en la matière a certainement été le pont en porte-à-faux, qui est souvent considéré comme une évolution des ponts à poutres. Dans le cadre de ce site Internet, le pont en porte-à-faux est toutefois traité comme un type de construction à part entière.

Une autre possibilité d’augmenter les portées dans la construction en bois était d’utiliser des structures suspendues et des structures à ossature explosive, également connues dans la construction de bâtiments. Dans les deux systèmes, les poutres de contreventement sont sollicitées en compression.

🪨Poutres en treillis en bois et en fer

plan d'un pont à poutres
À gauche : suspension simple et double. A droite : ossature simple et double.
Dans les deux systèmes, les entretoises diagonales sont soumises à une pression.

Une poutre en treillis est constituée d’une section rectangulaire dont les parois latérales et parfois les faces supérieures et inférieures (membrure supérieure et membrure inférieure) sont éclatées, de sorte qu’elles sont constituées de montants individuels (verticaux), de membrures (horizontales) et d’entretoises (diagonales). L’ensemble de ces éléments est appelé « barres » et les points de rencontre des barres sont appelés « nœuds ». Le contraire d’une poutre en treillis est une poutre à paroi pleine, dont les parois latérales sont massives sur toute leur longueur. Les sections à parois pleines sont surtout utilisées dans les constructions en acier ou en béton armé. La dissolution des parois en un treillis permet d’économiser du matériau, donc des coûts et du poids.

L’idée de la poutre en treillis provient fondamentalement de la construction en bois. Les Romains utilisaient déjà des treillis en bois et au Moyen Âge, les premières approches théoriques de calcul pour les ponts à treillis en bois ont vu le jour. En 1485, Léonard de Vinci a esquissé une poutre en treillis parabolique pour un pont tournant. En 1570, Andrea Palladio présenta différents systèmes de treillis dans son ouvrage « Vier Bücher zur Architektur ». De même, le célèbre livre « Machinae Novae » de Faustus Verantius, publié en 1595, contenait déjà des ponts en treillis en bois en forme de parabole et de lentille.

Les treillis présentent également des avantages d’un point de vue statique. Étant donné que seules des forces de compression ou de traction peuvent apparaître dans les barres, il est facile de calculer les courbes de force complexes au sein d’une poutre en treillis. Toutes les barres forment des triangles de force fermés, qui sont stables en eux-mêmes et donnent à l’ensemble de la poutre sa capacité de charge.

Dans la pratique de la construction de ponts, les treillis en bois ont d’abord été utilisés pour des portées plutôt faibles et généralement là où il y avait suffisamment de bois disponible comme matériau de construction. Ce n’est qu’avec Hans Ulrich Grubenmann que le niveau de la construction de ponts en bois a atteint un tout autre niveau. À l’aide de structures complexes en treillis, il a construit avec ses frères, vers 1750, des ponts en bois de grande portée en Suisse orientale, notamment sur le Rhin et la Limmat.

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Dans les régions boisées d’Europe, mais aussi aux États-Unis, des ponts à treillis en bois ont été construits jusque tard dans le 20e siècle, notamment pour les chemins de fer. Le risque d’incendie constituait un problème majeur pour les ponts ferroviaires en bois, car les locomotives à vapeur projetaient des étincelles incontrôlées par leurs cheminées, ce qui provoquait souvent des incendies sur les remblais des voies ferrées, menaçant également les ponts. En Allemagne, les compagnies ferroviaires décidèrent donc dès 1850 de ne plus construire de ponts en bois sur les lignes principales.

🔩Ponts à poutres en treillis

Le « Lattice Truss Bridge » (pont à poutres en treillis), breveté pour la première fois en 1820 par Ithiel Town, est une innovation. Contrairement à un pont en treillis conventionnel, un pont à poutres en treillis est composé d’éléments de construction plus fins, c’est-à-dire de planches dans le cas d’une construction en bois, pour former une structure en forme de grille. Cela présente l’avantage d’alléger l’ensemble de la construction et de la rendre plus facile à fabriquer. De plus, les différents éléments ne sont pas aussi lourds et peuvent être montés par deux ouvriers sans engin de levage. Dans son brevet, Town décrit d’ailleurs l’utilisation de clous en bois, de sorte que sa construction n’a absolument pas besoin de fer.

Cependant, l’utilisation du fer ne s’est pas fait attendre pour ce type de construction et a finalement conduit à l’utilisation de poutres en treillis entièrement en fer. En fait, l’évolution avait déjà commencé avec le légendaire Colossus Bridge, construit par Lewis Wernwag en 1812 au-dessus de la rivière Schuylkill. C’est sur ce pont d’une portée de 104 mètres que des barres de fer ont été utilisées pour la première fois comme renfort.

Ce n’est certainement pas un hasard si les ponts à poutres en treillis ont été particulièrement utilisés sur les lignes de chemin de fer, car ils sont apparus parallèlement à la construction des premières lignes de chemin de fer. Seulement 24 ans après le brevet de Town, le premier pont à poutres en treillis en fer a également été construit, sur une ligne de chemin de fer bien sûr. Le Royal Canal Bridge de Dublin (1844) fut également connu dans les pays germanophones grâce à de nombreuses publications et fut ensuite copié et amélioré.

La construction de ponts à poutres en treillis a atteint son apogée avec la construction du pont sur la Vistule de Dirschau et du pont sur le Nogat près de Marienburg. Ces deux ponts ont été construits par la Prusse dans le cadre de la ligne de chemin de fer dite « Ostbahn », reliant Berlin à Königsberg, et ont été achevés en 1857. Avec une portée maximale de 131 m et une longueur totale de 837 m, il était jusqu’à la fin du 19e siècle le plus grand de tous les ponts allemands.

🔗Les ponts à poutres tubulaires de Robert Stephenson

L’évolution a été quelque peu différente en Grande-Bretagne, où l’on a d’abord misé sur des ponts tubulaires à parois pleines. L’invention du fer forgé a placé les ponts à treillis au centre de l’intérêt « sur le continent », car contrairement à la fonte, le fer forgé est résistant et peut également être soumis à des contraintes de traction. Grâce à l’invention du procédé de puddlage par Henry Cort, la Grande-Bretagne était déjà en mesure de produire du fer forgé en grande quantité au milieu du 19e siècle. C’est également Cort qui a obtenu un brevet pour un procédé de laminage dès 1783, créant ainsi les conditions nécessaires à la fabrication de tôles de grand format. C’était la première fois qu’il était possible de construire un pont en fer forgé résistant.

La vérité sur cette conquête technique, c’est qu’elle n’a pas été utilisée en premier lieu pour des ponts en fer, mais qu’elle a d’abord servi des intérêts militaires, comme c’est malheureusement souvent le cas. Dans un pays comme l’Angleterre, où la marine revêtait une importance stratégique majeure, une invention comme les tôles de fer laminées a d’abord été utilisée pour la construction d’une nouvelle génération de navires de guerre. Il en allait d’ailleurs de même en Allemagne, où le fer forgé a d’abord servi à moderniser la marine prussienne.

Il a donc fallu attendre encore quelques décennies pour que Robert Stephenson soit le premier à saisir les opportunités civiles de ce développement pour construire des ponts ferroviaires en tôle laminée. Son idée était de fabriquer, à partir de cornières rivetées et de bandes de tôle avec des âmes repliées, une poutre tubulaire à paroi pleine suffisamment rigide et stable pour supporter une locomotive et ses wagons. En amont de la construction de son premier pont tubulaire, Stephenson et William Fairbairn ont effectué de nombreux essais de matériaux afin de trouver la section optimale de la poutre. Le résultat fut un profil rectangulaire, plus haut que large, à travers lequel le chemin de fer pouvait passer.

Curieusement, le premier « Tubular Bridge » achevé, dans la ville galloise de Conwy, est également le seul à être conservé aujourd’hui et même à être encore utilisé par les chemins de fer. Il a été inauguré en 1848 et était en quelque sorte le prototype du pont Britannia, beaucoup plus grand, que Stephenson avait construit en 1850 au-dessus du détroit de Menai. Les deux ponts ont été construits dans le cadre de la ligne de chemin de fer entre Londres et Holyhead, le port de ferry britannique pour le trafic avec l’Irlande. Les quatre plus grands tubes du pont Britannia avaient une longueur de 146 mètres chacun.

🚂Poutres en treillis et poutres pleines

La consommation de matériaux pour un pont tubulaire était évidemment énorme. Comme aucun autre pays au monde n’était capable à l’époque de produire du fer forgé en si grande quantité, les autres pays ont plutôt essayé de modifier la construction. Finalement, seuls cinq ponts tubulaires à parois pleines ont été construits dans le monde, tous par Robert Stephenson. Deux d’entre eux ont été construits en Égypte, sur la ligne de chemin de fer Le Caire – Alexandrie, au-dessus de courants partiels du delta du Nil. Les deux ponts comportaient une grande partie pivotante au milieu du courant pour la navigation. Comme les tubes avaient des portées légèrement inférieures à celles du pont Britannia, il décida d’apporter une modification importante à ces deux ponts : ici, les trains circulaient sur la poutre et non plus dans le tube.

Le dernier et le plus grand pont tubulaire fut achevé à Montréal en 1859, Stephenson revenant ici aux rails intérieurs. Le Victoria Bridge traversait le fleuve Saint-Laurent et avait une longueur totale de plus de deux kilomètres. Ses soubassements existent encore aujourd’hui, mais les tubes ont été remplacés par des poutres en treillis dès 1898. Mais les ponts tubulaires à parois pleines se sont finalement révélés peu rentables, sans compter que les passagers des wagons de chemin de fer avaient l’impression de traverser un tunnel. Le principe a toutefois été développé sous la forme d’un pont à poutres en treillis et, avec une consommation de matériaux nettement réduite, il est resté pendant quelques décennies un type de pont fréquemment utilisé, surtout pour les grands ponts ferroviaires.

Carl Lentze a fait connaître les ponts à poutres en treillis dans le monde entier avec le pont sur la Vistule à Dirschau et le pont sur le Nogat à Marienburg. Toutefois, Friedrich Busse, un ingénieur de la Leipzig-Dresdner Eisenbahn-Compagnie, avait déjà publié l’idée des ponts en treillis en 1846 dans le Dinglers Polytechnischem Journal. Il écrivait à ce sujet : « Autant que je sache, personne n’a encore construit de ponts en tôle de fer ou en fer plat. Il n’existe aucun matériau qui, proportionnellement à son propre poids, offrirait une aussi grande capacité de charge que celui-ci, s’il est utilisé correctement ». Bien qu’il ait même projeté d’autres innovations, comme par exemple des voies de circulation superposées pour le rail et la route et l’utilisation d’une bande de traction placée en dessous, sa poutre de pont en bandes de tôle est restée dans un premier temps largement ignorée.

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Après la construction des ponts de Dirschau et Marienburg, des ponts similaires ont été construits à Offenburg sur la Kinzig ainsi que sur le Rhin à Waldshut, Kehl, Griethausen et Cologne (pont de la cathédrale). Mais la poutre en treillis a également été utilisée en Suisse, en France et en Grande-Bretagne.

Variantes de la poutre en treillis

Bien entendu, le développement ultérieur des ponts à poutres en fer ne s’est pas arrêté aux ponts en treillis. L’attention des ingénieurs s’est surtout portée sur le rapport entre le matériau utilisé et la capacité de charge qu’il permet d’atteindre. Cependant, certains points faibles des ponts en treillis ont été identifiés très tôt. Entre autres, une telle poutre se laisse difficilement calculer, car elle est hautement indéterminée sur le plan statique.

L’expérience a également montré que la hauteur uniforme de la section de la poutre n’est pas optimale, car cette forme ne correspond pas à la répartition des forces à l’intérieur de la poutre. Dans le cas d’une poutre sur deux poteaux, le moment de flexion (qui tente de faire fléchir la poutre vers le bas) est normalement le plus élevé au milieu de la travée et le plus faible au niveau des appuis. Il est donc logique de rendre le centre de la poutre plus solide que les zones latérales proches des culées, car cela permet d’obtenir la même capacité de charge avec moins de matériau.

Cette approche théorique a donné naissance à toute une série de formes de poutres économes en matériaux. On a fait varier le tracé des membrures supérieures et inférieures et on a également modifié la géométrie des barres de compression et de traction sous différentes formes. C’est ainsi que sont apparues des formes de poutres en arc, en parabole et en trapèze. Les poutres dites en ventre de poisson et les poutres lenticulaires sont des formes dans lesquelles la membrure inférieure est également incurvée.

Avant l’invention de la soudure, les poutres en treillis étaient généralement assemblées sur place à partir de profilés en fer à l’aide de rivets. Cependant, on a commencé très tôt à préfabriquer les éléments les plus grands possibles, voire la poutre entière, dans une usine ou un atelier et à les assembler sur le lieu de destination. Stephenson avait déjà préfabriqué les tubes du Britannia Bridge sur la rive, les avait transportés entiers sur le chantier et les avait ensuite montés à l’aide de presses. Dans les conditions d’un hall d’usine sec et chaud, le travail est plus rapide, plus précis et plus sûr que sur le chantier par tous les temps, et en plus en hauteur.

Pour les poutres en treillis des ponts ferroviaires de Waldshut et de Kehl (1861), des ateliers ont été construits à proximité du chantier, où les poutres étaient entièrement assemblées. Une fois terminées, les poutres étaient transportées à l’aide de treuils et à la force musculaire de nombreux ouvriers jusqu’à leur destination et poussées sur les piliers préparés.

🏢 Ponts à poutres en béton bon marché

pont à poutres à hauteur variable

La qualité de l’acier s’est constamment améliorée grâce à la modification des processus de fabrication. En outre, la nouvelle technique de soudage a permis d’alléger les structures porteuses, car les différents éléments peuvent être mis bout à bout. En revanche, avec la technique du rivetage, ils doivent se chevaucher et sont donc deux fois plus résistants dans ces zones. Les rivets eux-mêmes augmentent considérablement le poids d’une construction métallique.

Les ponts à poutres ont reçu une nouvelle impulsion d’innovation avec la redécouverte du ciment hydraulique et l’invention du béton armé qui s’en est suivie. La combinaison du béton et de l’acier, en particulier, a soudain permis de réaliser des ouvrages qui n’auraient pas été possibles auparavant avec la pierre naturelle ou le fer seul. Le béton a des propriétés statiques très similaires à celles de la pierre naturelle, c’est-à-dire qu’il peut supporter de très grandes forces de compression mais seulement des contraintes de traction relativement faibles (rapport 1:10). Le jardinier français Joseph Monier a fait breveter vers 1865 le béton armé (aujourd’hui béton armé), qui combine de manière optimale les forces des deux matériaux. Monier a été le premier à reconnaître les possibilités constructives (et commerciales) du matériau composite et a déclenché avec son invention une sorte de révolution dans le secteur de la construction. Dès 1873, il a également obtenu un brevet pour un pont en béton armé.

Une poutre en béton renforcée dans sa partie inférieure par l’insertion de barres ou de treillis en acier (« treillis soudés ») peut résister à des charges nettement plus importantes qu’une poutre en béton pur. Comme les forces de traction à la base de l’élément de construction sont absorbées par l’acier, le béton ne doit résister qu’aux forces de compression. Comparé à l’acier, le béton est un matériau de construction moins coûteux et les inserts en acier ne représentent qu’une petite partie de la section totale.

Le béton est un matériau de construction flexible et polyvalent avec lequel on peut réaliser des éléments de construction de n’importe quelle forme. Mais il se prête particulièrement bien à la construction de ponts à poutres, car il suffit d’un coffrage horizontal. Dans ce coffrage préparé, on peut placer l’acier d’armature (ou les aciers de précontrainte) et couler la poutre. Pour les ponts de petites portées, le béton armé et le béton précontraint sont aujourd’hui clairement les matériaux de construction les moins chers et sont donc souvent utilisés. La plupart des ponts sur lesquels nous circulons aujourd’hui sont donc, et de loin, des ponts à poutres massives en béton armé.

Renaissance de la poutre tubulaire à paroi pleine

Avec l’introduction des ponts en treillis, la poutre tubulaire à âme pleine inventée par Stephenson semblait déjà dépassée après quelques exemplaires réalisés. Mais grâce aux progrès de la production d’acier, à l’invention du soudage et aux nouvelles possibilités offertes par le béton, elle a fait un retour en force avec deux matériaux différents.

Les poutres tubulaires à parois pleines sont très résistantes à la flexion et possèdent donc une énorme force portante. Pour les grandes portées, on utilise donc à nouveau des poutres à caisson creux, soit en béton précontraint, soit en acier. Le profil de la section est généralement rectangulaire ou trapézoïdal. De tels ponts sont en principe les successeurs directs des ponts tubulaires de Robert Stephenson. Aujourd’hui, les voies de communication – qu’elles soient routières ou ferroviaires – sont certes disposées en principe sur la face supérieure de la poutre. Mais Stephenson l’avait déjà fait pour ses deux ponts sur le Nil.

Les ponts à poutres à sections continues, soit droites, soit à rayons constants, se prêtent particulièrement bien à la méthode du poussage cadencé. Cela rend le déroulement de la construction économique, planifiable et donc moins cher.

Les ponts à poutres en béton permettent d’atteindre des portées économiques allant jusqu’à 200 m, voire plus de 300 m avec de l’acier. Mais les véritables records des ponts à poutres se situent surtout au niveau des longueurs totales atteintes, qui résultent de la juxtaposition de nombreuses travées individuelles. Les plus longs « ponts » construits aujourd’hui sont donc en principe des lignes de chemin de fer surélevées, qui ne se trouvent qu’en partie au-dessus de plans d’eau. Le plus long pont de ce type est actuellement le métro aérien entre Pékin et Shanghai. Alors que la distance normale entre les piliers est plutôt modeste (80 m), sa longueur totale est d’environ 165 kilomètres.

FAQ sur les ponts à poutres

Quels sont les avantages des ponts à poutres ?

Simplicité de conception et de construction : Les ponts à poutres ont une structure relativement simple, ce qui les rend plus faciles et moins coûteux à concevoir et à construire.
Polyvalence : Ils peuvent être construits avec divers matériaux, comme le bois, l’acier ou le béton, et sont adaptés à différents environnements et utilisations.
Entretien réduit : En raison de leur conception simple, les ponts à poutres nécessitent généralement moins d’entretien que d’autres types de ponts.
Adaptabilité : Ils peuvent être adaptés à différentes longueurs et charges, ce qui les rend appropriés pour de nombreuses applications, notamment dans les zones urbaines et rurales.

Quelle est la portée maximale d’un pont à poutre ?

La portée maximale d’un pont à poutres dépend du matériau utilisé et de la conception du pont. En général, pour les ponts à poutres en béton précontraint, la portée peut atteindre jusqu’à 150 mètres. Pour les ponts à poutres métalliques, des portées plus longues sont possibles, mais cela nécessite des conceptions plus complexes et des supports intermédiaires.

Quelle est la fonction d’un pont à poutre ?

La fonction principale d’un pont à poutres est de fournir un passage sûr au-dessus d’obstacles comme des rivières, des vallées, des routes ou d’autres voies de communication. Ils sont conçus pour supporter des charges de véhicules, de piétons ou de trains, tout en résistant à diverses forces naturelles telles que le vent, les séismes et la pression de l’eau.

Quel est le principal défaut des ponts à poutres ?

Le principal défaut des ponts à poutres est leur portée relativement limitée comparée à d’autres types de ponts, comme les ponts suspendus ou à haubans. Cela peut nécessiter l’utilisation de nombreux appuis, ce qui peut augmenter le coût et la complexité de la construction dans certaines situations.

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