LA CONSTRUCTION BOIS 1

1LE MATÉRIAU BOIS

Comportement mécanique: le matériau bois est hétérogène et anisotrope. Sa résistance mécanique varie selon:

• La direction des efforts (axiaux, radiaux, tangentiels)
• L’espèce
• La masse volumique
• L’état de saturation de la cellulose

En direction axiale le bois est:

• Fibreux
• Résistant
• Tenace
• Rigide
• Dur

En direction transversale le bois est:

• Plastique
• Déformable
• Résistance faible

Espèces:

LA CONSTRUCTION MÉTALLIQUE

LA TERMINOLOGIE EN CONSTRUCTION MÉTALLIQUE  

1. Poteau (column)
2. montant
3. traverse
4. sablière (ou: poutre de rive)
5. contreventement (ou: palée de stabilité) (Wind-Bracings)
6. contreventement vertical (ou: de faîtage)
7. contreventement rasant (ou: de versant)
8. pannes faîtières
9. pannes courantes
10. pannes basses (ou sablières)
11. fermes
12. bracon (ou: contrefiche)
13. 
    

Définitions:

Charpente métallique: on distingue :

• structure: il s’agit du système constructif (études, calcul)
• ossature: de l’ordre de la réalisation concrète
• pièce: élément simple
• pièce composée: e.g. poutre avec ses attaches
• sous-ensemble: élément transportable (e.g. une demi ferme)
• ensemble: assemblage sur chantier de plusieurs sous-ensembles

Parties d'un bâtiment:

• combles: éléments supportant la couverture
• poteaux: éléments supportant les combles (Columns)
• ossature de bardage: éléments supportant les façades
• ossature de plancher: éléments supportant les planchers

Espace:

• portée (Span): écartement entre deux points d’appui d’un élément porteur
• travée: écartement des éléments porteurs entre eux
• hall: espace couvert de grande dimension (on distingue halles simples et multiples)

Façades:

• long-pan: façade parallèle à la ligne de faîtage
• pignon: façade perpendiculaire à la ligne de faîtage
• les façades perpendiculaires à la façade principale sont dites de retour

Combles:

• faîtage: arête supérieure d’une toiture
• égout: arête inférieure d’une toiture
• noue: arête rentrante de deux pans de toitures qui se rencontrent
• arêtier: arête sortante de deux pans de toitures qui se rencontrent
• croupe: partie en pan coupé d’une toiture
• versant: partie inclinée d’une toiture
• auvent: toiture en porte à faux et à une pente
• appentis: bâtiment à une seule pente accolé au bâtiment principal
• acrotère: saillie verticale d’une façade au dessus de l’égout pour en masquer la couverture
• baïonnette: pièce qui prolonge le poteau au dessus de la couverture
• about de panne: partie de la panne en porte à faux
• saillie de toit: partie de la toiture en porte à faux
• dans le cas d’une couverture en tuiles les pannes supportent des chevrons qui supportent à leur tour les lattis

Pannes:

• pannes: éléments supportant directement la toiture
• liens: élément plein réduisant la longueur de flambement des pannes
• liernes: éléments treillis réduisant la longueur de flambement des pannes

Fermes treillis:

• fermes: éléments porteurs reposant sur les poteaux
• empannons: fermes reposant sur les poutres sablières (destinées à réduire la portée des pannes et leur section

L’entrait peut être:

• droit
• relevé s’il présente une pente montante
• brisé s’il présente plusieurs inclinaisons
• retroussé s’il est assemblé plus haut que la retombée des arbalétriers

Les auvents peuvent être:

• retroussés: l’extrémité en porte à faux est plus haute que le point d’attache
• encastré, s’il est stable sans tirant ou bracon
• articulé, s’il a besoin d’un tirant ou bracon

poteaux (Columns): élément supportant les combles ; on distingue la tête, le pied, et le fût (ou corps)

Ossature de bardage:

• lisses : éléments porteur de bardage. Elles sont maintenues dans leur axe de plus faible inertie par des liens ou tirants
• lorsqu’il y a remplissage en maçonnerie l’ensemble des potelets et traverses prend le nom de pan de fer

Ossature de plancher (Floor):

• solive (joist): poutrelle formant l’ossature primaire d’un plancher
• poutre principale (Main Beam): la plus importante
• poutres secondaires: moins importantes
• poutre palière: supporte les limons d’un escalier
• plancher à coffrage perdu: le bac acier ne participe pas à la reprise des charges, il ne sert que de coffrage à demeure de la dalle béton
• plancher à solive et dalle collaborante: la dalle est solidaire des solives grâce à un système de connecteurs
• plancher à coffrage collaborant: le bac acier, rendu solidaire de la dalle béton, participe à la reprise des charges
• chevêtre: système de support des solives lorsque celui-ci doit être interrompu (escaliers, tuyau, silo, …)
• trémie: ouverture dans un plancher (Staircase Aperture)

assemblage (connections):

• éclissage: liaison qui permet une mise en place et un maintien en position des pièces
• couvre-joint: liaison qui permet la liaison parfaite des éléments assemblés et la transmission entière des efforts (normal, tranchant, moment fléchissant)
• échantignolles: pièces assurant la fixation des pannes sur les fermes

Terminologie d'une ossature classique:

LA CONSTRUCTION MÉTALLIQUE

2LE RÉFÉRENTIEL TECHNIQUE EN CONSTRUCTION MÉTALLIQUE

La législation repose sur l’exigence essentielle de résistance mécanique et de stabilité, i.e. les ouvrages doivent être conçus et construits de telles sorte que ne survienne aucun des événements figurants ci-dessous:

• Effondrement de tout ou partie de l’ouvrage
• Endommagement d’autres parties de l’ouvrage, d’installations ou d’équipements à demeure à la suite de déformations importantes des éléments porteurs.
• Dommages résultants d’événements accidentels disproportionnés par rapport à leur cause première.

On distingue les:

• Textes législatifs: lois, arrêtés et décrets, sous formes de codes, textes réglementaires sur les exigences essentielles (niveaux sonores, etc.); ils sont d’application obligatoire
• Textes techniques normatif; d’application volontaires, mais fortement conseillée
• DTU « règles de bonnes construction »
• AFNOR: règles de qualité de constance de fabrication
• Règles professionnelles: règles pour une profession donnée sur la mise en œuvre de produits, reconnues par l’AFAC (association française des assureurs constructeurs)
• Cahiers des fascicules des clauses techniques, relatifs à l’exécution des travaux

Les règles françaises:

Calculs fondamentaux:

• CM66 : règles de calcul des constructions en acier
• Titre V du fascicule 61 du cahier des prescriptions communes: conception et calcul des ponts et constructions métalliques en acier
• NF P06001 estimation des charges d’exploitation
• NF P06004 estimation des charges permanentes
• NF P.22430 à 22431: assemblages par boulons non précontraints
• NF P.22460 à 22469 : assemblages par boulons à serrage contrôlés
• NF P.22470 à 22472 : assemblages soudés
• NF P22250-251-252-255-258 : assemblages soudés de profils creux
• NF P.22703 : éléments à parois minces (DTU)
• NF P.22-410 : assemblages rivés – dispositions constructives – calculs des rivets
• Additif 80 : calcul des constructions en tenant compte de la plasticité de l’acier et des états limites
• NV65 modificatif N°2 décembre 1999 pour le vent
• N84 modificatif N°3 avril 2000 pour la neige
• DTU P92-702 FA82 méthode de prévision du comportement au feu des structures en acier
• Règles sismiques: NF P06.013
• Règles simplifiées: NF P06-014 – règles PS-MI89 modifiées92

Eléments secondaires:

• NF E.85031 escaliers industriels
• NF E.85101 garde corps métalliques industriels
• NF E.85010 échelles métalliques industrielles fixes avec ou sans crinoline
• DTU 40.35 couverture en tôles nervurées issues de plaques d’acier
• NF P.84206 couvertures en tôles d’acier nervurées multicouches (DTU 43.3)
• DTU 60.11 installation d’évacuation des eaux pluviales
• Recommandations du CTICM pour le calcul et l’exécution des ponts roulants (revue construction métallique n°3-67, n°4-70, n°1-73
• NF P.22615 charges roulantes et chemin de roulement

Les règlements européens: les règlement en matière de construction métalliques on été entièrement revus et refondus au niveau européen. Ce travail de longue haleine a vu le jour sous le nom d’Eurocodes.

Les différents eurocodes:

Eurocode1: base du calcul et actions sur les structures

Eurocode3: calcul des structures en acier

LA CONSTRUCTION MÉTALLIQUE

GÉNÉRALITÉS

1HISTORIQUE DE LA CONSTRUCTION MÉTALLIQUE

  Le fer a commencé à faire son apparition comme élément de construction au XVIII° siècle, alors que les matériaux usuels à cette époque étaient le bois et la pierre. Il s’agissait alors d’assurer des fonctions d’ornementation et de renforcement des ossatures (essentiellement de maintenir les pierres dans leur position initiale par agrafage).

XIX° siècle: Avec l’introduction du fer comme élément de construction, les méthodes de conception furent bouleversés. Le concepteur ne travailla plus en effet avec des éléments singuliers, en fonte, moulés en atelier, mais avec des profilés standard en I, T, L, etc., dont l’assemblage permettait d’obtenir les solutions recherchées. Ce passage d’éléments uniques à des produits standardisées ne fut possible que grâce aux nombreux développements effectués dans le domaine des chemins de fer. Ce succès ne fut possible que grâce à l’introduction massive du rivet comme moyen d’assemblage, qui permettait une combinaison presque illimitée des produits de bases.

Riveteurs sur la tour eiffel

Ces nouveaux moyens d’assemblage permirent une architecture révolutionnaire utilisant le fer, le bois et le verre (voir ci-dessous l'œuvre de Joseph Paxton, le fameux cristal palace construit pour l’exposition universelle de Londres en 1850):

  

  Les progrès techniques dans le domaine sidérurgique contribuèrent à l’apparition d’un nouveau matériau, l’acier, qui devait une nouvelle fois révolutionner la domaine de la construction métallique, avec l’apparition de la soudure et de profilés de plus grande longueur, supérieure à 6m. L’utilisation de l’acier devint ainsi de plus en plus massive en cette fin de XIX° siècle.

Première moitié du XX° siècle: durant cette période l’acier subit la forte concurrence du béton. L’engouement pour ce nouveau matériau entraîna une baisse significative du nombre d’ouvrages en métal construits durant cette période, cependant que de nombreux concepteurs contribuèrent à faire évoluer la construction métallique et à sensibiliser la profession sur ses avantages et sa rationalité. La situation était toute inverse en Amérique du nord où l’acier répondait de manière tout à fait satisfaisante à la création d’immeubles de grandes hauteur à coût modéré, et fût utilisé massivement.

Deuxième moitié du XX° siècle: la fin de la guerre fût caractérisée par un besoin urgent de reconstruction. La rapidité d’exécution, l’économie de moyens et la rationalité étaient alors des contraintes à respecter. La construction métallique répondait parfaitement à ces exigences, et pouvait bénéficier d’une industrie métallurgique très forte, développée pour des besoins militaires. L’acier fût dés lors massivement utilisé.

Les années 70 furent marquées par un nouveau type architectural basé sur la mise en valeur de la haute technologie (e.g. centre Georges Pompidou). Cependant il fallut attendre les années 80 pour entrevoir les premiers signes d’une architecture inventive, caractère de la construction en acier d’aujourd’hui (carénage continu, forme d’ailes d’avion ou de bateau, utilisation de mâts et habillage de verre et d’acier).

TECHNOLOGIE DE CONSTRUCTION MÉTALLIQUE ^2^

CONCEPTION DES CONTREVENTEMENTS

  Les contreventements sont des dispositifs conçus pour reprendre les efforts du vent dans la structure et les descendre au sol. Ils sont disposés soit en toiture dans le plan des versants (poutres au vent), soit en façades (palées de stabilité), et doivent reprendre les efforts du vent appliqués tant sur les pignons que sur les long-pans. La stabilité est ainsi assurée dans les trois directions de l’espace. On distingue trois type essentiels de contreventements:

• triangulation (treillis): il s’agit du type le plus fréquent ; les treillis en N conviennent bien lorsque il n’ a pas d’inversions d’efforts. Lorsque l’on est en présence d’inversions d’efforts possibles on préfère les croix de saint André (quelquefois les treillis en K ou V peuvent convenir).  
• rigidification des nœuds (cadre-portique): ils se justifient pleinement lorsque l’on doit laisser le passage libre, ou pour éviter des diagonales inesthétiques, ou bien parfois pour laisser une plus grande liberté pour une modification de la structure.  
• remplissage (voile, diaphragme) : on utilise des voiles en béton pour les fortes sollicitations. Pour les faibles sollicitations des voiles en maçonnerie conviennent. Lorsqu’il existe un noyau ou un mur de refend celui-ci peut bien sur servir de contreventements (il s’agit surtout d’un cas pour les bâtiments à étages). Il est imprudent d’estimer que des bardages ou couvertures en tôles puissent faire office de contreventements.  

Nota: dans le cas de contreventements par remplissages, il faut toujours s’assurer que la transmission d’efforts entre éléments porteurs et éléments de stabilisation se fasse correctement.  

Nota très important: les ciseaux ne sont sollicités qu’en traction ; on admet en effet que la diagonale qui du fait de son orientation devrait être comprimée se dérobe en fait par flambement élastique (cette hypothèse est valable pour les cornières et autres profils de faibles rigidité). 

D’une manière générale la déformabilité des systèmes en présence reste toujours le critère essentiel qui gouverne la distribution des efforts au sein des structures, les parties les plus souples ayant tendance à se dérober au détriment des parties plus rigides, pouvant entraîner des sollicitations plus élevées que prévues d’une part, et des cheminements d’efforts anormaux d’autre part. 

Principes de bases: pour équilibrer une force agissant dans n’importe quelle direction du plan, il faut:

 disposer d’au moins trois lignes de forces

• les lignes d’actions des forces ne doivent pas être concourantes
• les lignes d’action des forces ne doivent pas être toutes parallèles entre elles

Efforts du vent sur les long-pans:

1- Les efforts de vent sur le bardage en long-pan sont transmis aux poteaux des portiques par l’intermédiaires des lisses. L’effort résultant en tête de poteau est transmis dans le portique, rigide et dimensionné à cet effet, et aucun dispositif particulier 

2-    lorsque la travée t est trop grande, les lisses doivent reposer sur un appui intermédiaire, appuyé en tête contre la panne sablière. L’effort en tête de potelet est repris soit :

o       par la panne sablière, raidie transversalement à cet effet (solution onéreuse)

o       soit transmis à la panne suivante par un montant attaché à deux diagonales, qui ramènent les efforts en tête de portique. On a ainsi créé une poutre au vent long-pan

Contreventements de versants  transversaux: poutres treillis disposées dans le plan des versants (parfois aussi dans le plan des entraits en cas de fermes treillis). Elles sont généralement placées aux deux extrémités du bâtiment ou en travée centrale ; les membrures sont celles des fermes, empannons ou fers de pignons, les montants étant constitués par les pannes. Les diagonales, souvent en cornières, doivent être suspendues sous les pannes pour limiter toute déformation apparente. Leur point d’épure doit converger avec celui des pannes et de la membrure. 

TECHNOLOGIE DE CONSTRUCTION MÉTALLIQUE ^1^

GÉNÉRALITES SUR LA CONCEPTION DESOSSATU RES

Introduction: La conception doit assurer l’esthétique, la fonctionnalité, la préfabrication aisée en atelier et la rationalité. Le problème principal dans la conception d’un bâtiment à ossature métallique est de savoir par où passent les efforts afin de bien dimensionner les éléments et d’assurer correctement la stabilité de l’ouvrage. Les structures ont une géométrie et un comportement mécanique tridimensionnels. Néanmoins pour la conception comme pour le dimensionnement le concepteur est amené à les décomposer en systèmes plans selon les trois directions de l’espace (plan, coupe, élévation). Cette simplification est justifiée dans de très nombreux cas classiques. Il existe cependant de vraies structures tridimensionnelles, dont l’analyse ne peut accepter cette simplification.

Principes fondamentaux: La conception d’ensemble, préalable à tout calcul, consiste  à établir une organisation générale des éléments de telle sorte que toutes les fonctions structurelles soient remplies, dans des conditions compatibles avec l’exploitation du bâtiment. On doit donc respecter trois principes fondamentaux au cours d’une étude 

• stabilité de l’ouvrage vis à vis de toutes les actions qui lui sont appliquées sans exception, lesquelles doivent être véhiculées depuis leur point d’application jusqu’aux fondations, sans aucun hiatus dans leur cheminement.
• Maintien de la cohérence du schéma de fonctionnement structurel depuis le choix des hypothèses de départ jusqu’au stade de l’étude de détail des assemblages entre éléments
• Aptitude de l’ouvrage à l’utilisation prévue

Ces impératifs impliquent concétement de:

• prédéterminer avec précision un cheminement  à travers la structure de tous les efforts qui lui sont appliqués, en prévoyant les éléments structurels et les assemblages nécessaires à ce cheminement ;
•  choisir avec soin les hypothèses de liaisons entre les éléments de structure et avec les fondations en s’assurant de la faisabilité technique des dispositions qui en découlent et en recherchant par ces choix la meilleure économie globale pour le projet ;
• veiller à la cohérence des déformations relatives des systèmes structurels en présence et à la compatibilité de ces mêmes déformations avec les conditions d’utilisations de l’ouvrage

Système statique: on distingue:

• systèmes isostatiques: la suppression d’un élément entraîne l’instabilité de l’ouvrage. Ces systèmes acceptent de légers déplacements relatifs.
• Systèmes hyperstatiques: la suppression d’un seul élément n’entraîne pas l’instabilité 

Transmission des efforts: on distingue deux fonctionnement 

• Transmission des actions vers les fondations en mobilisant la résistance en flexion des éléments: poutres de planchers, portiques
• Transmission des actions vers les fondations en mobilisant la résistance à l’effort normal des sous éléments les constituants: éléments triangulés

Analyse des éléments simples: il y a deux types d’analyse possibles:

• en élasticité pure: le critère de ruine est la limite d’élasticité. C’est le point de vue des règles CM66
• en plasticité: on admet qu’il puisse y avoir une adaptation plastique des sections dont on peut se servir pour alléger la structure (point de vue de l’eurocode et de l’additif 80)
• Les capacités plastiques correspondent à des distributions de contraintes en blocs dans la section, égales à la limite d’élasticité ; en cas de surcharges celles ci peuvent être reprises par la plastification d’autres sections. Une simplification très utilisée est celle de rotule plastique :
• Rotule plastique: les déformations élastiques sont établies en étendant artificiellement le comportement purement élastique de l’acier  jusqu’à saturation plastique de la section : il y a passage brutal de la pleine rigidité élastique au comportement plastique. i.e. les déformations plastiques sont strictement localisées au droit de certaine sections.
• L’analyse plastique ne présente véritablement d’intérêt que pour les structures de degré d’hyperstaticité élevé, où le risque de déversement est réduit et où les critères ELS et de stabilité ne sont pas prépondérant. Il va de soi que ce type d’analyse n’est pas le plus courant en pratique.
• Analyse globale des structures : le type d’analyse la plus courante est l’analyse élastique au premier ordre, seule prise en compte par les règles CM66, et dont les hypothèses de bases sont les suivantes :
  •  comportement du matériau indéfiniment élastique linéaire
  • les déplacements de la structure sont négligeable par rapport à ses dimensions géométriques 
  coût: le coût entre pour une grande part dans un choix technologique ; on distingue deux facteurs principaux: 
  • coût relatif à la matière: on parle de tonne par m² de charpente posée
  •  coût d’atelier: on parle d’heures d’atelier par tonne de charpente posée (ce rapport peut varier de un à quatre
• Eléments de charpente: dans toutes les phases du projet, il faut toujours se demander comment les éléments de l’ouvrage pourront être usinés, transportés, montés, utilisés et entretenus. La plupart des petites pièces du projet devraient être à l’épreuve du camion-benne : i.e. conçues comme si elles devaient être chargées en vrac dans un camion et déchargées par basculement de la benne. Si elles ne peuvent résister à un tel traitement, le monteur risque de perdre du temps à les redresser ou attendre leur remplacement sur chantier.

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  Types d’éléments:
  éléments tendus: ce sont les éléments les plus simples, ceux qui permettent d’optimiser au mieux la résistance du matériau de base ; il faut tenir compte de la section nette pour les assemblages boulonnés, et de l’excentricité des attaches qui peut apporter un moment supplémentaire non négligeable. Les éléments purement tendus se rencontrent le plus souvent dans les contreventements et les fermes treillis. On les rencontrent quelquefois dans les suspentes (reprise des efforts de gravité dans les bâtiments à étage, pour empêcher la flexion latérale d’ossatures de bardages et de couvertures, etc.), les tirants (reprise de poussée en pied de portique, équilibrage de structure en consoles, etc.) ou câbles (ponts, etc.). on peut réaliser des suspentes par: 
  • ronds en acier fileté
  • fer plats, boulonnés par recouvrement ; cet assemblage résiste mieux à la fatigue que le rond.
  • En double U ; il représente une plus grande rigidité que le fer plat
  • Câbles  
  Nota: les barres calculés seulement à la traction et devant se dérober par flambement élastique comme les barres de contreventements, doivent avoir un élancement assez grand. De ce fait ils peuvent être soumis à des battements lors d’inversions d’efforts, à des pliages lors d’efforts transversaux accidentels, à des mises en guirlande qui augmente les efforts de tractions du fait du poids propre de la poutre qui fonctionne alors comme un câble. D’où la nécessité de fixations intermédiaires (e.g. sous les pannes) 
  En règle générale il faut que les épaisseurs soient conséquentes pour éviter les phénomènes de voilement. Il faut aussi éviter les sections qui présentent de faibles inerties de torsion, comme les cornières simples, les tés ou les profils en croix, qui peuvent ne pas flamber en flambement flexion, mais en torsion ou en torsion-flexion (cas nettement plus défavorable). On doit de plus éviter le flambement individuel d’éléments jumelés
  Les sections les plus utilisées sont les cornières jumelées, puis les U laminés et jumelés pour des efforts importants.  
  
  
  Pièces sollicités en flexion (poutres): le moment maximum est le plus souvent déterminant.
  • Profilés laminés à chaud: leur portée varie de 4-5m à 50m. la vérification en effort et en flèche sous l’effet de l’effort tranchant est inutile ; l’optimisation en flexion simple est rarement possible à cause des phénomènes de déversements qui la limite. 
  • Profilés en I reconstitués soudés: pour eux il faut effectuer la vérification aux phénomènes de voilement. Ils offrent la possibilité d’adapter de manière souple les caractéristiques géométriques, épaisseurs et longueurs, aux besoins de résistances (ils peuvent aussi avoir un intérêt esthétique) le gain de masse doit être relativement conséquent par rapport à la solution d’un I laminé à chaud afin de compenser les surcoûts dus au soudage des tôles de bases.
  • Profilés à parois minces formés à froid: ils donnent lieu à des vérifications spécifiques. Leur portée varie de 4-7m à parfois plus de 10m. leur épaisseur varie de 0.5 à 5mm.
  • Poutres à âme ajourée: la constitution de ces poutres est rendue possible par la surabondance d’épaisseur au niveau de l’âme des profilés laminés à chaud. On découpe selon une ligne de découpe polygonale régulière de part et d’autre de l’axe médian, et les deux demi profils sont assemblés par soudure après un décalage d’un motif. Leur principal intérêt est la légèreté et la possibilités qu’ils donnent pour le passages des conduites etc. toutefois des vérifications spéciales s’imposent dues à la répartition spéciale de l’effort tranchant dans les âmes ajourées.
  
  
  
  • poutres planes à treillis: on remplace les âmes pleines des profilés I ou H par des barres inclinées qui constituent avec les membrures un système triangulé capable d’amener les efforts tranchants d’un bord à l’autre. 
  
  
  Leur principal avantage est d’optimiser au maximum l’utilisation du matériau acier ; de plus, bien que de nos jours cet avantage soit secondaire, les pièces de bases sont facilement manipulables et transportables, quelque soit l’importance de l’ouvrage à construire.  
  Lorsque les barres treillis sont rigidement liées et assemblées aux nœuds (soudure, boulons précontraints) les moments secondaires se propagent d’une barre à l’autre en fonction des rigidités de flexion de celles-ci, et seul un code informatique permet de modéliser correctement ces effets. Les assemblages par boulons normaux sont considérés comme articulés

  Profils reconstitués soudés en caissons: Ce type de section est utilisée lorsqu’une poutre est sollicitée de façon quelconque par rapport à ses axes principaux de section transversale et par des efforts excentré par rapport à son centre de torsion (e.g. poutre de chemin de roulement) . En effet lorsqu’un risque de ruine par flexion biaxiale accompagnée de torsion est trop élévée cette solution s’impose. treillis spatiaux: chaque nœud étant fixé dans l’espace par deux plans de triangulations, il n’y a plus guère d’instabilité d’ensemble à craindre ; ce genre de poutre est pratique pour reprendre des charges transversales d’orientation quelconque. Toutefois ce type de conception présente un coût assez élevé du fait de la complexité des nœuds d’assemblages. Cette conception est donc réservée soit à la structure primaire d’ouvrages très importants, soit au contraires à des structures très légères pour lesquelles il est donné la priorité au critère esthétique.  poteaux comprimés et fléchis: dans de nombreux cas et notamment les structures légères, les poteaux sont plus dimensionnés à la flexion qu’au flambement, l’effort normal n’étant pas prépondérant. Le paramètre fondamental dans les calculs de poteaux à la flexion déviée composée avec risque de flambement et de déversement, est la longueur de flambement. Flèche et contre-flèche: (La contre flèche est souvent réalisée par le traceur) lors de la vérification de la structure, si les flèches entraînent des déformations trop visibles sur des pignons et que cela pourrait apporter une gêne, on peut adopter une contre flèche c’est à dire une flèche inverse donnée initialement à la structure. Sous l’effet des charges verticales les têtes de montant ont tendance en effet à sortir du plan vertical. Tant que cette obliquité n’est pas visible (1/400°) on peut la conserver. Sinon on adopte une contre flèche qui fait que le montant redevient vertical sous l’effet des charges permanentes.  Remarque: il faut bien sur éviter que le monteur veuille annule cette flèche en écartant les bases de montants, ce qui diminuerait le moment d’angle en augmentant dangereusement le moment sur la portée. D’une manière générale la contre flèche de fabrication a pour valeur celle de la flèche due aux seules charges permanentes.

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GÉNÉRALITES SUR LA CONCEPTION DESOSSATU RES

Introduction: La conception doit assurer l’esthétique, la fonctionnalité, la préfabrication aisée en atelier et la rationalité. Le problème principal dans la conception d’un bâtiment à ossature métallique est de savoir par où passent les efforts afin de bien dimensionner les éléments et d’assurer correctement la stabilité de l’ouvrage. Les structures ont une géométrie et un comportement mécanique tridimensionnels. Néanmoins pour la conception comme pour le dimensionnement le concepteur est amené à les décomposer en systèmes plans selon les trois directions de l’espace (plan, coupe, élévation). Cette simplification est justifiée dans de très nombreux cas classiques. Il existe cependant de vraies structures tridimensionnelles, dont l’analyse ne peut accepter cette simplification.

Principes fondamentaux: La conception d’ensemble, préalable à tout calcul, consiste  à établir une organisation générale des éléments de telle sorte que toutes les fonctions structurelles soient remplies, dans des conditions compatibles avec l’exploitation du bâtiment. On doit donc respecter trois principes fondamentaux au cours d’une étude 

• stabilité de l’ouvrage vis à vis de toutes les actions qui lui sont appliquées sans exception, lesquelles doivent être véhiculées depuis leur point d’application jusqu’aux fondations, sans aucun hiatus dans leur cheminement.
• Maintien de la cohérence du schéma de fonctionnement structurel depuis le choix des hypothèses de départ jusqu’au stade de l’étude de détail des assemblages entre éléments
• Aptitude de l’ouvrage à l’utilisation prévue

Ces impératifs impliquent concétement de:

• prédéterminer avec précision un cheminement  à travers la structure de tous les efforts qui lui sont appliqués, en prévoyant les éléments structurels et les assemblages nécessaires à ce cheminement ;
•  choisir avec soin les hypothèses de liaisons entre les éléments de structure et avec les fondations en s’assurant de la faisabilité technique des dispositions qui en découlent et en recherchant par ces choix la meilleure économie globale pour le projet ;
• veiller à la cohérence des déformations relatives des systèmes structurels en présence et à la compatibilité de ces mêmes déformations avec les conditions d’utilisations de l’ouvrage

Système statique: on distingue:

• systèmes isostatiques: la suppression d’un élément entraîne l’instabilité de l’ouvrage. Ces systèmes acceptent de légers déplacements relatifs.
• Systèmes hyperstatiques: la suppression d’un seul élément n’entraîne pas l’instabilité 

Transmission des efforts: on distingue deux fonctionnement 

• Transmission des actions vers les fondations en mobilisant la résistance en flexion des éléments: poutres de planchers, portiques
• Transmission des actions vers les fondations en mobilisant la résistance à l’effort normal des sous éléments les constituants: éléments triangulés

Analyse des éléments simples: il y a deux types d’analyse possibles:

• en élasticité pure: le critère de ruine est la limite d’élasticité. C’est le point de vue des règles CM66
• en plasticité: on admet qu’il puisse y avoir une adaptation plastique des sections dont on peut se servir pour alléger la structure (point de vue de l’eurocode et de l’additif 80)
• Les capacités plastiques correspondent à des distributions de contraintes en blocs dans la section, égales à la limite d’élasticité ; en cas de surcharges celles ci peuvent être reprises par la plastification d’autres sections. Une simplification très utilisée est celle de rotule plastique :
• Rotule plastique: les déformations élastiques sont établies en étendant artificiellement le comportement purement élastique de l’acier  jusqu’à saturation plastique de la section : il y a passage brutal de la pleine rigidité élastique au comportement plastique. i.e. les déformations plastiques sont strictement localisées au droit de certaine sections.
• L’analyse plastique ne présente véritablement d’intérêt que pour les structures de degré d’hyperstaticité élevé, où le risque de déversement est réduit et où les critères ELS et de stabilité ne sont pas prépondérant. Il va de soi que ce type d’analyse n’est pas le plus courant en pratique.
• Analyse globale des structures : le type d’analyse la plus courante est l’analyse élastique au premier ordre, seule prise en compte par les règles CM66, et dont les hypothèses de bases sont les suivantes :
  •  comportement du matériau indéfiniment élastique linéaire
  • les déplacements de la structure sont négligeable par rapport à ses dimensions géométriques 
  coût: le coût entre pour une grande part dans un choix technologique ; on distingue deux facteurs principaux: 
  • coût relatif à la matière: on parle de tonne par m² de charpente posée
  •  coût d’atelier: on parle d’heures d’atelier par tonne de charpente posée (ce rapport peut varier de un à quatre
• Eléments de charpente: dans toutes les phases du projet, il faut toujours se demander comment les éléments de l’ouvrage pourront être usinés, transportés, montés, utilisés et entretenus. La plupart des petites pièces du projet devraient être à l’épreuve du camion-benne : i.e. conçues comme si elles devaient être chargées en vrac dans un camion et déchargées par basculement de la benne. Si elles ne peuvent résister à un tel traitement, le monteur risque de perdre du temps à les redresser ou attendre leur remplacement sur chantier.

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  Types d’éléments:
  éléments tendus: ce sont les éléments les plus simples, ceux qui permettent d’optimiser au mieux la résistance du matériau de base ; il faut tenir compte de la section nette pour les assemblages boulonnés, et de l’excentricité des attaches qui peut apporter un moment supplémentaire non négligeable. Les éléments purement tendus se rencontrent le plus souvent dans les contreventements et les fermes treillis. On les rencontrent quelquefois dans les suspentes (reprise des efforts de gravité dans les bâtiments à étage, pour empêcher la flexion latérale d’ossatures de bardages et de couvertures, etc.), les tirants (reprise de poussée en pied de portique, équilibrage de structure en consoles, etc.) ou câbles (ponts, etc.). on peut réaliser des suspentes par: 
  • ronds en acier fileté
  • fer plats, boulonnés par recouvrement ; cet assemblage résiste mieux à la fatigue que le rond.
  • En double U ; il représente une plus grande rigidité que le fer plat
  • Câbles  
  Nota: les barres calculés seulement à la traction et devant se dérober par flambement élastique comme les barres de contreventements, doivent avoir un élancement assez grand. De ce fait ils peuvent être soumis à des battements lors d’inversions d’efforts, à des pliages lors d’efforts transversaux accidentels, à des mises en guirlande qui augmente les efforts de tractions du fait du poids propre de la poutre qui fonctionne alors comme un câble. D’où la nécessité de fixations intermédiaires (e.g. sous les pannes) 
  En règle générale il faut que les épaisseurs soient conséquentes pour éviter les phénomènes de voilement. Il faut aussi éviter les sections qui présentent de faibles inerties de torsion, comme les cornières simples, les tés ou les profils en croix, qui peuvent ne pas flamber en flambement flexion, mais en torsion ou en torsion-flexion (cas nettement plus défavorable). On doit de plus éviter le flambement individuel d’éléments jumelés
  Les sections les plus utilisées sont les cornières jumelées, puis les U laminés et jumelés pour des efforts importants.  
  
  
  Pièces sollicités en flexion (poutres): le moment maximum est le plus souvent déterminant.
  • Profilés laminés à chaud: leur portée varie de 4-5m à 50m. la vérification en effort et en flèche sous l’effet de l’effort tranchant est inutile ; l’optimisation en flexion simple est rarement possible à cause des phénomènes de déversements qui la limite. 
  • Profilés en I reconstitués soudés: pour eux il faut effectuer la vérification aux phénomènes de voilement. Ils offrent la possibilité d’adapter de manière souple les caractéristiques géométriques, épaisseurs et longueurs, aux besoins de résistances (ils peuvent aussi avoir un intérêt esthétique) le gain de masse doit être relativement conséquent par rapport à la solution d’un I laminé à chaud afin de compenser les surcoûts dus au soudage des tôles de bases.
  • Profilés à parois minces formés à froid: ils donnent lieu à des vérifications spécifiques. Leur portée varie de 4-7m à parfois plus de 10m. leur épaisseur varie de 0.5 à 5mm.
  • Poutres à âme ajourée: la constitution de ces poutres est rendue possible par la surabondance d’épaisseur au niveau de l’âme des profilés laminés à chaud. On découpe selon une ligne de découpe polygonale régulière de part et d’autre de l’axe médian, et les deux demi profils sont assemblés par soudure après un décalage d’un motif. Leur principal intérêt est la légèreté et la possibilités qu’ils donnent pour le passages des conduites etc. toutefois des vérifications spéciales s’imposent dues à la répartition spéciale de l’effort tranchant dans les âmes ajourées.
  
  
  
  • poutres planes à treillis: on remplace les âmes pleines des profilés I ou H par des barres inclinées qui constituent avec les membrures un système triangulé capable d’amener les efforts tranchants d’un bord à l’autre. 
  Leur principal avantage est d’optimiser au maximum l’utilisation du matériau acier ; de plus, bien que de nos jours cet avantage soit secondaire, les pièces de bases sont facilement manipulables et transportables, quelque soit l’importance de l’ouvrage à construire.  
  Lorsque les barres treillis sont rigidement liées et assemblées aux nœuds (soudure, boulons précontraints) les moments secondaires se propagent d’une barre à l’autre en fonction des rigidités de flexion de celles-ci, et seul un code informatique permet de modéliser correctement ces effets. Les assemblages par boulons normaux sont considérés comme articulés

  Profils reconstitués soudés en caissons: Ce type de section est utilisée lorsqu’une poutre est sollicitée de façon quelconque par rapport à ses axes principaux de section transversale et par des efforts excentré par rapport à son centre de torsion (e.g. poutre de chemin de roulement) . En effet lorsqu’un risque de ruine par flexion biaxiale accompagnée de torsion est trop élévée cette solution s’impose. treillis spatiaux: chaque nœud étant fixé dans l’espace par deux plans de triangulations, il n’y a plus guère d’instabilité d’ensemble à craindre ; ce genre de poutre est pratique pour reprendre des charges transversales d’orientation quelconque. Toutefois ce type de conception présente un coût assez élevé du fait de la complexité des nœuds d’assemblages. Cette conception est donc réservée soit à la structure primaire d’ouvrages très importants, soit au contraires à des structures très légères pour lesquelles il est donné la priorité au critère esthétique.  poteaux comprimés et fléchis: dans de nombreux cas et notamment les structures légères, les poteaux sont plus dimensionnés à la flexion qu’au flambement, l’effort normal n’étant pas prépondérant. Le paramètre fondamental dans les calculs de poteaux à la flexion déviée composée avec risque de flambement et de déversement, est la longueur de flambement. Flèche et contre-flèche: (La contre flèche est souvent réalisée par le traceur) lors de la vérification de la structure, si les flèches entraînent des déformations trop visibles sur des pignons et que cela pourrait apporter une gêne, on peut adopter une contre flèche c’est à dire une flèche inverse donnée initialement à la structure. Sous l’effet des charges verticales les têtes de montant ont tendance en effet à sortir du plan vertical. Tant que cette obliquité n’est pas visible (1/400°) on peut la conserver. Sinon on adopte une contre flèche qui fait que le montant redevient vertical sous l’effet des charges permanentes.  Remarque: il faut bien sur éviter que le monteur veuille annule cette flèche en écartant les bases de montants, ce qui diminuerait le moment d’angle en augmentant dangereusement le moment sur la portée. D’une manière générale la contre flèche de fabrication a pour valeur celle de la flèche due aux seules charges permanentes.

BÉTON ARMÉ CONCEPTION

Définition: matériau composite, mélange d’acier et de béton qui doivent être intimement liés dans ce matériau

• Acier : qualités à la traction
• Béton qualité à la compression

Un bon remplissage peut s’effectuer grâce à:

• Un bon serrage
• Béton vibré à l’aiguille dans les zones délicates
• Vibration générale du moule

Les différents éléments en béton armé sont liaisonnés entre eux de façon à avoir un ensemble monolithique parfaitement cohérent

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Béton: caractérisé mécaniquement principalement par la résistance à la compression à 28 jours, f_c28,qui varie de 20 à 60Mpa. Pour obtenir de bonnes valeurs on doit avoir l’outillage, le contrôle régulier, un choix de matériaux et une composition adaptée.

Fluage du béton: déformation différée dans le temps sous contrainte constante. Il dépend:

• Dosage en ciment et en eau (rapport E/C)
• Importance de la contrainte et âge du béton au moment où celle-ci est appliquée

Retrait hydraulique: à l’air, le béton présente un phénomène de retrait à la prise et au durcissement, ci. 0.2 à 0.4mm/m, en fonction de nombreux facteurs. La valeur maximale de ce retrait n’est acquise qu’au bout d’un certain temps (quelques mois à plusieurs années).

On limite le retrait en:

• Veillant au dosage en ciment donc en eau (E/C)
• Veillant au rapport de la surface de la pièce en contact avec l’air à son volume
• Cure éventuelle du béton pour éviter sa dessiccation

On réduit les désordres imputables au retrait en:

• Incorporant des armatures de fissurations, qui fractionnent une éventuelle fissure importante, donc préjudiciable, en une multitude de micro-fissures sans effets notables
• Mettant en place des armatures spécifiques de retrait dans les pièces particulièrement exposées (DTU20.11 et 20.12)

Nota : les armatures de chaînages s’opposent partiellement au retrait et répartissent ses effets sur les ouvrages dont ils sont solidaires.

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Aciers: utilisés sous forme de barres cylindriques de Φ normalisé, lisses ou à hautes adhérences, parfois sous forme de treillis:

• Barres lisses: FeE215 ou FeE235
• Barres haute adhérence: FeE400 ou FeE500
• Module d’élasticité longitudinal: Es=200 000 MPa

Désignation:

• barres rondes: symbole Φ suivi du diamètre, précédé du nombre de barres et éventuellement suivi de la nuance d’acier.
• Acier à haute adhérence: symbole HA. si le type est agréé, on a une appellation spéciale:

• Acier Tor: T
• Acier tentor: TT
•  Fil ardox: AX
• Acier nervex: NX
• Acier crénélé hades: HS

• Treillis soudés: symbole TS suivi des diamètres puis des écartements de fils porteurs

Flèches admises pour les éléments en Béton armé:

• Eléments supports sur deux appuis:

• L<=5m  L/500
• L>5m  0.5cm+L/1000

• Eléments supports en consoles :

• L<=2m   L/250

Prédimensionnement des poutres en béton armé: l/15≤H_t≤l/10 ; de plus la largeur b de la poutre rectangulaire est généralement supérieure à la moitié de sa hauteur.

Conception des pièces en béton armé:

Pour éviter l’attaque des armatures l’enrobage doit être supérieur à (A.7.1):

• 5cm ouvrages maritimes ou atmosphères agressives
• 3cm parois soumises à des actions agressives, intempéries ou condensations
• 1cm parois dans des locaux couverts et clos non exposés aux condensations
•  nota: il est prudent d’augmenter ces marges en envisageant les imperfections de la construction.

De plus lors de la réalisation on doit se prémunir contre:

• souillures de terre
• souillures de plâtres
• tâches et dépôts de graisses
• rouille lorsque:

• elle est trop importante
• elle n’est pas adhérente
• (mais la rouille adhérente est au contraire favorable à l’adhérence acier/béton)

Pièces tendues: le béton reprend une partie de l’effort jusqu’à sa fissuration, au delà de laquelle seuls les aciers reprennent les efforts de traction. La fissuration du béton étant assez rapide, on ne prend jamais en compte la résistance du béton tendu dans les calculs (A4.3.2)

Pièces comprimées: sous l’effet de la compression le béton se raccourcit et ce raccourcissement se transmet par adhérence aux armatures  longitudinales qui se compriment elles aussi. En se raccourcissant le béton a tendance à se gonfler et ce gonflement est réprimé par les armatures transversales qui sont ainsi mises en tension

Pièces fléchies: dans la compression l’acier n’a qu’un rôle de montage. Dans la partie tendue on a des aciers de traction, dimensionnés en conséquence. Les armatures d’âmes (cadres, épingles, étriers) doivent résister à l’effort tranchant.

Scellement droit : afin d’assurer l’adhérence barres/béton une longueur minimale de scellement droit ls est imposé (A.6.1,221) :

ans laquelle:

•  Φ est le diamètre de la barre
•  f_e est la limite d’élasticité de l’acier
• τ_su est la contrainte d’adhérence, dépendante de la résistance du béton (A2.1,11)

Acier et béton adhérent sur appu

Barres accolées en cas de barres trop courtes:

Scellement courbe: il permet d’obtenir une meilleure adhérence et donc de raccourcir les scellements. Vu son importance on a définit un crochet normal (A6.1,253 :

pour un crochet normal on peut admettre que l’ancrage est assuré lorsque la longueur de la partie ancrée mesurée hors crochet est :

≥0.6ls s’il s’agit d’une barre lisse

≥0.4ls s’il s’agit d’une barre haute adhérence

Un rayon minimal de courbure est imposé afin d’éviter le risque d’écrasement du béton. Une exception à ce principe sont les éléments qui ne reprennent que l’effort tranchant :

Ferraillage des ouvrages: on doit particulièrement soigner la confection et la mise en place de cet élément fondamental; les dessins d’exécutions doivent prévoir les dispositions suivantes:

• L’enrobage de chaque armature, et ce dans toutes les directions, est au moins égale à son Φ si elle est isolée ou bien la largeur du paquet dont elle fait partie dans le cas contraire (A7.2)

• Le Φ des barres employées comme armatures de dalles ou de voiles courbes doit être au plus égal au 1/10° de l’épaisseur totale de ces éléments. e.g. pour une dalle de 15cm d’épaisseur on ne doit pas utiliser Φ>15mm

• Le Φ des armatures d’âmes d’une poutre est :

• au plus égal à hauteur-poutre/35
• au plus égal au Φ des barres longitudinales
• au plus égal au 1/10° de la largeur de l’âme

• On peut grouper les armatures en paquets à condition de:

• les disposer de façon compacte
• opposer le minimum de gêne à la mise en place du béton
•  la hauteur du paquet doit être au plus égale au double de sa largeur
• les paquets de plus de trois barres ne peuvent être utilisés que s’ils ne sont soumis à aucune sollicitation d’entraînement

• C_g désignant la grosseur du plus gros granulat utilisé, la distance libre doit être:

• au moins égale à C_g dans la direction verticale
• au moins égale à 1.5C_g dans la direction horizontale

e.g.: paquets de largeur a et de hauteur b<=2a

Nota 1: le calcul des distances libres s’effectue sur les sections nominales et non sur les sections d’encombrements (comme si les barres hautes adhérences étaient lisses)

Nota 2: on a toujours intérêt à adopter des valeurs supérieures au serrage nominal, particulièrement si les armatures ne sont pas aisément accessibles au bétonnage.

Grilles: armatures orthogonales dans deux plans très voisins ; elles doivent être assez large pour ne pas affecter l’homogénéité du béton frais lors de sa mise en place

Mailles: dans le cas des poutres les règles ci-dessus sont valables si l’espacement des cours successifs d’armatures transversales est au moins égal à deux fois la distance libre entre armatures longitudinales. S’il n’en est pas ainsi le rayon moyen r_g des mailles de la grille doit satisfaire les inégalités suivantes:

avec rayon moyen:

Entassement d’armatures: on doit éviter les entassements d’armatures; lorsqu’on ne peut les éviter on doit employer un béton à granulats moins gros

Béton vibré par aiguilles dans la masse:

• ménager des intervalles suffisamment larges pour livrer passage à ces aiguilles
• la distance entre ces aiguilles doit assurer la vibration totale du béton

Pour les pièces de grandes dimensions les espacements entre les armatures doivent permettre aux ouvriers de pénétrer à l’intérieur des moules et d’atteindre tous les endroits où le béton doit être mis en place

Poussée au vide: celles-ci sont présentes lorsque des armatures de par leurs positions sont sollicitées vers les parements => on doit les retenir par des attaches ancrées dans la masse du béton:

Solidarisation du ferraillage: elle est obtenue par 
ligature de fer recuit de 1mm de Φ environ
soudage, de plus en plus employé: fixation solide, pas d’amoindrissement de la résistance des aciers de bases
on a de plus en plus recours à la préfabrication des ferraillages en usines ou en ateliers.
Armatures de constructions: on doit les mettre en place pour que les ferraillages soient correctement réalisés et remplissent correctement leur rôle.

Armatures de peau (A.8.3): elles s’opposent aux fissures de retrait ; il s’agit d’armatures longitudinales intermédiaires sur chaque face, mises en place dés que la hauteur de l’élément dépasse 0.5m
Armatures d’efforts tranchant : armatures de construction de petit Φ mises en place dans les zones comprimées des poutres

 Epingles : elles lient deux aciers longitudinaux supérieurs ou inférieurs ou latéraux.

Pour limiter les fissurations (A4.5,323):

• N’utiliser les gros Φ que pour des pièces suffisamment épaisses
•  Eviter les très petits Φ pour des pièces exposées aux intempéries
• Prévoir le plus grand nombre de barres compatibles avec la mise en place correcte du béton

Par exemple les dispositions 1 et 2 ci-dessous sont nettement plus défavorables que les dispositions 3 et 4 qui assurent une meilleur répartition des fissures:

Reprises de bétonnage: utilisées lorsqu’on a affaire à des ouvrages dont le coulage ne peut se faire en une seule fois

• Orienter les surfaces de reprises de telle sorte qu’elles soient de préférence soumises à des efforts de compression
• Si la surface de reprise doit reprendre des efforts de cisaillements ou de traction, on doit ménager dans la surface des redans convenablement disposés, afin d’assurer une bonne transmission des efforts
• On doit parfois prévoir des armatures de coutures, ancrées dans les zones susceptibles de résister à leur mise en traction

Insertions d’isolants: il s’agit souvent de polystyrène expansé, de masse volumique 25kg/m^3, et d’épaisseur 3 à 8cm.