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1. NOTIONS FONDAMENTALES1.1. Quelques notions historiques :
L'apparition de l'acier en construction est concomitante au développement de l'industrie de l'acier.
On a donc observé une explosion de l'emploi de l'acier à partir du 19eme siècle au cours duquel les
hauts fourneaux fournissent en quantité importante un produit de relativement bonne qualité.
Quelques dates : - 1884 Le viaduc de Garabit- 1889 : la tour Eiffel
- 1889 La Galerie des Machines à Paris- 1890 environ : La reconstruction de Chicago après l'incendie. Mise
en oeuvredes méthodes de protection contre le feu des structures aciers des
bâtiments.- 1929 – 32 : Maison de verre de Pierre Chareau.
- 1976 Le centre Beaubourg.- 1991 L'aéroport de Stansted par Foster.
1.2. Les principes mécaniquesLe fonctionnement mécanique des ossatures en acier ne diffère en rien, quant
aux principesfondamentaux, du fonctionnemment de n'importe quelle ossature. Les éléments
flêchis sont toujoursflêchis, les comprimés, comprimés... etc.Toutefois, on relèvera que certaines différences de nature de matériaux induisent
des différences decomportement ou de potentiel de fonctionnement.On notera tout particulièrement :- L'acier est un matériau homogène et isotrope.- Sa limite élastique (traction ou compression) est nettement plus élevée que celle
du béton. Lesaciers de construction courants ont une limite élastique de 2400 daN/cm² pouvant
atteindre 3600daN/cm².- Sa densité est élevée (7,6)- Différents modes d'assemblages sont possibles offrant une grande liberté de
conception.
2. LES PRINCIPAUX TYPES D'ORGANISATIONS STRUCTURELLES
On retiendra trois organisations principales ; Les systèmes à portiques ou arcs, les ossatures poteaux -poutres les structures spatiales.
2.1. Les systèmes à portiques ou arcs
Dans ces systèmes structuraux, toutes les charges sont ramenées sur des éléments plans disposés parallèlement.
Ces éléments sont, soit des portiques, soit des arcs.D'une manière générale, lorsqu'il s'agit de porter des
planchers, on utilise plus facilement des portiques qui offrent, par leur traverse, un élément plan et horizontal propice à l'appui des éléments de planchers.
Attention à différencier le type de structure du mode de construction. Un arc peut être constitué d'un profil
simple ou d'un treillis plan ou spacial sans que cela change le principe de son comportement en grand.
Les différents types de portiques vous sont connus. Ils sont répartis en deux groupes; encastrés ou
articulés en pied.La conséquence du déplacement de l'encastrement
est une répartition différente des moments et doncun déplacement de la matière (l'articulation en pied
permet un affinage du pied de béquille). Se sont des
systèmes hyperstatiques.
Pour le contreventement
Il existe des portiques à trois articulations (articulation au centre de la traverse). Cette articulation
supplémentaire ramène le portique dans le domaine isostatique.
Le système à portiques est décliné à l'infini dans la plupart des constructions industrielles.
On peut également construire des portiques à plusieurs étages et à travées multiples. Les ossatures
métalliques d'immeubles sont souvent traitées ainsi.
Le système de portique ou d'arc est autostable dans son plan (il ne nécessite pas de contreventement
dans le plan du portique) mais doit être contreventé transversalement.
Ce contreventement est organisé autour d'une ou plusieurs palées de stabilité et des pannes sablières
(ou autre élément similaire) qui permettent le transit des efforts vers la zone stable.
2.2. Les systèmes poteaux poutres
Il s'agit du système le plus simple dans lequel on appuie directement sur les têtes de porteaux, des poutres qui reçoivent redirigent les efforts.
Ces bâtiments sont donc constitués d'une structure linéaire verticale recevant, sans encastrement, une structure linéaire horizontale.
Les éléments horizontaux fonctionnent, de manière générale, suivant un schéma de poutre sur deux appuis. Ils sont nécessairement plus résistants que leur homologues des portiques qui bénéficient de
l'encastrement sur la béquille (réduction du moment en travée induite par l'effet de l'encastrement aux appuis).
Par contre, les poteaux sont moins sollicités et ne travaillent qu'en compression (avec la sujétion de flambement).
Le contreventementLe contreventementCes structures ne sont stables dans
aucune des deux directions horizontales. Elles doivent être
contreventées dans les deux directions.Elles présentent l'avantage de faciliter les
liaisons entre la poutre et le poteau (simple articulation), et
permettent d'obtenir des poteaux fins (pas de moment dans le poteau).
- Exemple : Centre Beaubourg dans lequel les poteaux extérieurs reçoivent les grandes poutres
sur une articulation équilibrée par le tirant vertical via la "gerberette". Ce bâtiment est contreventé par des
X dans les deux directions principales.
2.3. Les Structures SpacialesIl s'agit de structures dans lesquelles l'organisation de la matière s'opère
dans les trois directions. Lesystème d'ossature comprend une certaine quantité de matière organisée
de manière à occuper unvolume supérieur à son volume propre. Les caractéristiques géométriques
d'inerties sont donc améliorées par rapport à l'utilisation classique.Ce type de structures offre des possibilités de franchissements très
importants (100 m voire plus) et permet de gagner de la portée dans les deux directions lors de la mise en oeuvre de nappes.
Nous allons revenir sur ces éléments.La réalisation des ces structures complexes passe par l'utilisation de sous-
ensembles plus simples quenous appellerons les "éléments de charpentes".
L’importance de porte-à-faux
3. LES ELEMENTS DE CHARPENTES
Tous ces éléments peuvent être utilisés simplement ou combinés entre-eux pour former une structure
plus complexe.
3.1. Les éléments simples :Les ouvrages de charpentes complexes peuvent être réalisés au
moyen d'éléments très simples (Tour Eiffel avec de la cornière).On trouve, dans le commerce, des éléments préfabriqués regroupés sous l'appellation PCC (profilés courants du commerce).Les plus connus sont les profils laminés à chaud dans lesquels on retrouve les célèbres IPE.(voir le tableau)De nombreuses formes et dimensions de profilés permettent de traiter un grand nombre de cas courants.
IPE
3.2. Les PRS :
Il s'agit des Profils Reconstitués Soudés obtenus par assemblage par mécano-soudure d'éléments
divers (en général des plats).Cette technique est employée pour obtenir
des profils sortant de la gamme des PCC (très grands I par
exemple), ou des profils présentant une forme particulière (poutre à inertie variable).
Ces PRS peuvent être à âme pleine ou ajourée pour une recherche de gain de poids.
Beaucoup de portiques sont réalisés avec des PRS.
Sujetions principale des PRS : Le voilement et le déversement de l'âme.
Réponse : Epaississement de l'âmeRaidissement par goussetsRaidissement par ondulations.
3.3. Les Eléménts Plans Il s'agit d'une application directe de la recherche de rigidité en
rationnalisant les poids.
Le théorème de Huygens nous enseigne que l'inertie d'une section par rapport à un axe quelconque croitcomme le carré de la distance entre l'axe et le CdG de la section. (I = I0 + S x d²)
La Poutre Treillis :La recherche de l'éloignement de la matière par
rapport à l'axe neutre (qui s'exprime, au départ, par la
géométrie du profil en I) amène, en allégeant l'âme du I au concept de la poutre treillis. C'est l'archétype
de la structure plane.Dans celle-ci, les diagonales et traverses maintiennent
de la matière éloignée de l'axe neutre. Les effortstransitent par les barres, des points d'application, vers
les points d'appui. Chaque barre doit donc êtrevérifiée par les procédés de calcul des éléments en
treillis (le plus connu étant les épures de Crémona).
La ruine de ce type de poutre intervient en général par flambement d'une diagonale, rupture d'un noeud
ou déversement général.Cette poutre est très rigide dans son plan. Elle ne l'est
pas hors du plan.La forme du treillis détermine la dénomination précise
de la poutre (poutre en N Pratt, en V Neuville, encroix Warren...).
Poutre en X
Poutre en V
Plat de jonction
Terminologie : Membrure (basse, haute), Montant, Diagonale (cf lexique)Suivant l'organisation du treillis, les diagonales et montants
travaillent différemment (traction -compression).
On signale, pour mémoire, la poutre échelle, qui est l'expression la plus simple de la poutre treillis dans
laquelle les montants sont comprimés.L'essentiel consiste en la recherche d'une inertie maximale
avec un poids minimum.On remarque qu'historiquement, la poutre treillis a été
extrêmement utilisée. Cette utilisation a étéfacilitée par la maîtrise de la technique d'assemblage par
rivets.
3.4. Les Structures Tridimensionnelles :
La poutre treillis permet d'obtenir de l'inertie dans un plan, la poutre tridimensionnelle dans deux plans.
Pour répondre à des cas de charges nécessitant une grande raideur dans les deux directions ou pour
permettre d'augmenter l'inertie verticale sans engendrer de déversement, on a développé le concept de
la poutre tridi, qui présente une stabilité parfaite.La terminologie est la même que pour les poutres planesLes portées potentielles de ces éléments dépassent 100 m.
C'est le symbole de l'architecture hi-tech des années 70 à 80.
La poutre tridimensionnelle :
Nappes :
La nappe la plus simple est constituée d'un réseau de poutres simples, disposées en générale de façon
orthogonale et reposant sur des appuis disposés en rives. Lorsque les appuis forment un carré, les
efforts sont également répartis dans la nappe dans les deux directions. Pour augmenter la capacité de la nappe, on peut remplacer les poutres simples par des poutres planes ou tridimensionnelles.
On obtient alors une nappe spaciale apte à reprendre des efforts importants dans toutes les directions.
Le potentiel de franchissement de ces ouvrages atteint facilement 60 à 80 m.
3.5. Eléments divers :
- Gousset - Platine - Fourrure - Sommier cf lexique
4. LES ASSEMBLAGES
On dispose de quatre types d'assemblages :
-1- L'assemblage riveté.
-2- L'assemblage boulonné.
-3- L'assemblage soudé.
-4- L'assemblage par axe.
4.1. Les assemblages rivetés :
Le rivet est une pièce métallique constituée d'un corps (le collet) et d'une tête qui est mise en place dans
un percement et dont l'extrémité est ensuite matée du coté opposé à la tête afin de relier deux pièces
ayant un contact plan.L'effet de liaison s'opère du fait de l'impossibilité de la
tête du rivet ou de la partie matée de passer àtravers le trou. Par ailleurs, le matage du rivet induit un
effet de serrement qui plaque les deux pièces àrelier l'une contre l'autre.
Ce type de liaison a été longtemps le seul moyen d'assemblage disponible avant l'apparition de la
boulonnerie de haute qualité et de la soudure.On notera que la méthode de mise en oeuvre rend difficile
la réalisation d'encastrement.Compte tenu des diamètres maxima pouvant être mis en
oeuvre et de la relativement faible force deserrage développée par chaque rivet, les assemblages
comptent un nombre important de rivets, ce quiconfère un aspect particulier à ces ouvrages.Aujourd'hui, le rivetage n'est plus utilisé en dehors de la
restauration des ouvrages anciens ou dans lecadre d'une utlisation à des fins esthétiques.
4.2. Les assemblages boulonnés :
C'est un des deux modes d'assemblage modernes qui sont universellement utilisés de nos jours.
Constitution d'un boulon :- Vis, Ecrou, Rondelle.La boulonnerie est devenue très performante dans la
deuxième moitié du 20 eme siècle, notammentavec l'apparition des boulons "H.R." (haute résistance). Ce
sont des boulons qui possèdent descaractéristiques mécaniques élevées permettant un
serrage efficace. Ce serrage provoque, à l'intérieurde l'assemblage, un état de précontrainte (tension dans le
boulon, pression entre les pièces reliées).
L'effort de serrage induit par les boulons est suffisamment important pour générer des forces de frottement entre les pièces serrées. Ces forces de frottement s'opposent aux efforts de glissement entre
les deux pièces. Le cisaillement est, dans ce cadre, repris, non pas par le boulon, mais
par le frottement entre les deux pièces.Ce fonctionnement autorise la mise en oeuvre d'assemblages entre
pièces très fortement sollicitées.Des efforts de plusieurs dizaines de tonnes transitent dans les
assemblages boulonnés.L'assemblage boulonné est aisément mis en oeuvre sur chantier et
facilite la fabrication en atelier des éléments d'ossature. Il convient parfaitement bien aux éléments prévus pour être
démontables, mais les assemblages boulonnés ne sont pas considérés comme provisoires et interviennent également dans les
structures définitives.
4.3. Les assemblages soudés :La soudure s'est généralisée il y relativement peu de temps
pour deux raisons principales :. Son utlisation nécessite une source électrique puissante et
régulière. Les aciers doivent avoir une composition chimique
permettant la soudure, ce qui n'était pas le cas desaciers anciens.La méthode de soudure permet de constituer un assemblage
par continuité de matière. En effet, lasoudure consiste en la mise en place, par élévation de
température, d'un bain de métal en fusion quis'unit aux pièces à relier. L'échauffement est obtenu par
création d'un arc électrique entre une électrodemétallique et les pièces à souder.
La qualité du métal d'apport est toujours supérieure à celle des aciers à souder.
La technique de soudure est riche de nombreux détails (type et dimensions des cordons, organisation du
joint, qualité du métal d'apport...) et permet des interventions efficaces dans la quasi-totalité des cas.
La soudure se pratique préférentiellement en atelier, avec du matériel lourd (soudure semi-automatique)
permettant la réalisation de cordons très réguliers et de qualité parfaite.
Elle peut également se pratiquer sur chantier au moyen de postes légers. Les conditions de mise en
oeuvre étant moins bonnes, le risque de malfaçon est plus important. Au titre des malfaçons les plus
courantes, on relèvera les points suivants :
. Effet de "collage" par défaut de soudure en profondeur (mauvaise distance électrode - métal).
Dans ce cas, les pièces semblent fixées, mais la liaison n'est pas une liaison à coeur, c'est un simple collage qui n'offre aucune résistance.
. Effet de bullage du cordon (inclusion de laitier dans le cordon).
. Mauvais état de surface des pièces à souder (présence de corps gras).
. Baguettes défectueuses (baguettes humides ou trop vielles, inadéquation entre le métal d'apport
et le métal des pièces à souder...)
Contrôle :
Le contrôle des soudures s'effectue par radiographie. Il est très performant, mais relativement onéreux.
L'aspect visuel d'une soudure ne renseigne que très partiellement sur la qualité réelle de la soudure. Il
convient, pour en apprécier la qualité, de conduire une auscultation en profondeur pour déterminer le
niveau de liaison à coeur.A noter qu'une soudure ne se meule jamais.On retiendra, en première approximation, qu'un cordon de
soudure de taille classique (4 mm) reliant deuxpièces et subissant une traction, présente une résistance
de l'ordre de 1000 à 1500 daN/cm linéaire decordon.
Cette valeur illustre les capacités mécaniques très élevées de la soudure.
La soudure entre deux pièces est une des solutions pour obtenir un encastrement.
- Aspect sismique : Comme on l'a déjà évoqué, l'assemblage soudé, du fait de sa rigidité,
présente une réaction aux sollicitations sismiques qui n'est pas favorable. Le coefficient d'amortissement dans le cas des soudures est en effet plus faible que pour des assemblages boulonnés.
4.4. Les assemblages par axe :
On l'a vu, l'ossature métallique favorise l'expression des concepts fondamentaux de la statique. On observe très fréquemment des constructions qui expriment de façon explicite, par exemple, le
cheminement des efforts dans les contreventements (on pense notamment aux X de contreventement
du centre Beaubourg). Au niveau des assemblages, cette remarque prend une dimension toute
particulière. Le traitement des différentes conditions d'appui amène à des formes adaptées qui favorisent
la lecture de l'organisation mécanique. A ce titre, l'assemblage par axe est une illustration parfaite de
l'expression de la réalité mécanique.
L'assemblage par axe est la parfaite expression de l'articulation.
Terminologie : - Axe- Goupille- Flasque- Cadenne cf lexiqueOn remarquera que l'axe travaille en cisaillement pur dans la
mesure où les flasques de la cadenne sontsuffisamment rapprochés pour éviter la flexion dans l'axe.L'assemblage par axe permet un montage aisé. Il se décline
à toutes les échelles et autorise le passagede fortes charges.
5. LES PLANCHERS SUR BACS ACIER
Il s'agit du mode de plancher le plus couramment associé aux ossatures métalliques. Le principe est de
réunir, dans un seul produit, les fonctions de coffrage et d'armature de dalle (un peu à l’instar de la prédalle).
On utilise une tôle largement nervurée et garnie de reliefs qui assurent l'adhérence entre le béton et la tôle, et l'on coule une dalle collaborante sur la tôle. Le couple acier béton joue de manière traditionnelle,mais avec l'acier situé en dehors de la dalle.
Ces planchers ont un sens de portée unique, donné par la direction des ondes (sens parrallèle aux ondes). Les deux rives latérales ne sont pas sollicitées.
Les épaisseurs courantes de ces dalles sont comprises entre 11 et 20 cm pour des portées de 2,5 à 4,5 m environ et des charges pouvant atteindre 1000 daN/m².
Le principe de ces dalles offre une grande facilité de mise en oeuvre (en dehors des sujétions d'étaiement) et en permet l'utilisation dans de nombreux cas. Les découpes sont aisées et la manutention des bacs est facile.
On notera que, très rapidement, l'espacement des porteurs conduit à l'apparition d'une sensation
d'élasiticité parfois désagréable, et que, d'une manière générale, on préfère rapprocher les éléments
supports et en diminuer la taille unitaire, ce qui permet d'éviter l'aparition de ce phénomène.
Dans ces planchers, comme pour des planchers bois, on parlera de solives pour les poutres
perpendiculaires au sens de portée.
La dalle
nervurée
Tôle en acier
7. LE COMPORTEMENT AU FEU
7.1. GénéralitésIl s'agit bien évidemment du principal problème à régler
dans le cadre de l'utilisation de l'acier dans laconstruction. On a vu que l'acier perd ses propriétés
mécaniques lorsqu'on le chauffe. Il convient doncde préserver les pièces de structure de l'élévation de
température.Deux pistes sont explorées :- Réalisation d'une barrière entre les pièces acier et les
sources potentielles.- Protection active avec, dans certain cas, amélioration de
la détection et de l'information despersonnes.
7.2. Les barrières thermiquesLa coupure thermique est obtenue par mise en oeuvre d'un
matériau non thermiquement conducteurentre le lieu de l'échauffement et la pièce à protéger.7.2.1. La peinture intumescenteIl s'agit du premier degré de protection. On applique, sur la
pièce à protéger, une peinture ayant despropriétés de réflexion de la chaleur. Cette peinture
retarde, un peu, l'élévation de la température de lapièce en acier.Les stabilités au feu escomptées avec la peinture
intumescente sont de l'ordre du quart d'heure, et, deplus en plus, cette technique est abandonnée du fait de sa
faible efficacité, et surtout du caractèrealéatoire de celle-ci.
7.2.2. Le flocageSolution très fréquemment adoptée, le flocage consiste en
la projection, sur les pièces métalliques, d'unmatériau fibreux (autrefois chargé en amiante et
aujourd'hui remplacé par un matériau dépourvud'amiante) qui isole thermiquement la pièce métallique.Cette projection se fait à la lance (propulsion à l'air). Elle
est rapide et relativement peu onéreuse.Les degrés de stabilité au feu obtenus atteignent 2 heures.
Les entreprises de flocage délivrent descertificats après réalisation de la protection qui garantissent
au concepteur l'efficacité de la protection.
On notera deux difficultés dans l'utilisation du flocage :- Esthétique. Ce procédé n'est valable que dans les parties
cachées (sauf à créer un élément de masquage spécifique.
- Durabilité de la protection, surtout dans le cadre des interventions des corps d'états de second
oeuvre (plombier, electricien...) qui endommagent très fréquemment la couche en réalisant leurs propres
travaux.On signalera également au même titre, la protection par
application de plâtre, directement sur la pièce àproteger. Cette technique, très employée avant l'apparittion
du flocage, est en perte de vitesseactuellement. Elle présente l'avantage d'offrir une
excellente durabilité de la protection.
7.2.3. L'encoffrement
Il s'agit d'une déclinaison de la technique d'isolement par barrière. On réalise cet isolement par mise en
oeuvre d'un coffre en matériaux non-conducteurs. En général, on utilise des plaques de plâtre sur carton
spéciales, offrant un degré coupe feu (placoflam par exemple).Les détails de mise en oeuvre doivent satisfaire à quelques
exigences, notamment en ce qui concerneles accessoires de montage des plaques qui ne doivent pas
constituer des ponts thermiques (agraphes"clipfeu").Une variante de ce principe est offerte par les faux plafonds
coupe-feu qui, par nature, constituent unebarrière entre les éléments situés au-dessus et le local
inférieur.
7.2.4. Variante du flocage, les systèmes de projection de matériaux spéciaux
Il s'agit de la mise en oeuvre d'une gangue de protection des éléments sensibles par projection d'un
produit spécial à base de fibres de céramique (kaowool), masqué ensuite par un habillage séparé de la
guange par une lame d'air. Ce système a été développé par Foster à la Hong Kong Bank, et une variante
(doublage des poteaux par une gangue de Glass Renforced Cement) a été mise en oeuvre sur le
chantier de l'aéroport du Kansaï (R. Piano). Sur ces réalisations, on se reportera aux publications
d'études de ces ouvrages.
7.3. Les protections activesLe sprinklageLe principe du sprinklage est de refroidir les pièces à
protéger par projection, lors de l'incendie, d'eausous pression afin de créer une athmosphère humide
qui abaisse la température.Les sprinklers sont répartis sur toute la surface à
protéger au rythme de 1/10 m² environ. Ils sontconstitués d'un orifice avec collerette de dispersion.
L'orifice est bouché en période normale par uneampoule remplie de liquide thermodilatable qui éclate,
sans aucune intervention, lors de l'élévation de la
température. Le réseau d'alimentation est prévu pour fonctionner de façon autonome sans recours au
courant électrique. Le réseau est alimenté par une ou plusieurs bâches qui distribuent l'eau de façon
gravitaire et maintiennent une pression permanente dans les tuyaux.
On notera toutefois, à la lumière de l’analyse des causes de l’effondrement des Twins Towers, que lors
de sinistres impliquant des hydrocarbures, la projection d’eau n’est pas une réponse judicieuse.
7.3.1. La Détection Incendie
Dans certains cas, la mise en place d'une détection incendie peut suffire à la protection du public. Il
s'agit, entre autres, de certaines charpentes de couverture. Toutefois, cette solution ne peut être
envisagée que dans des cas bien précis dont l'énumération ne rentre pas dans le cadre du présent
cours.
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