Chapitre v Partie 2

STRUCTURE I Chapitre V ( Charpente métallique ) .

ELEMENTS DE CALCUL DES STRUCTURES EN ACIER

V. 1 PRINCIPAUX PRODUITS UTILISES COMME ELEMENTS DE STRUCTURE

V. 1. 1 Les formes de produits

Pour obtenir leur forme de finition et leurs caractéristiques mécaniques les aciers courants dans la construction sont :

laminés : ce sont les produits les plus couramment utilisés dans la construction métallique. Les demi-produits sont déformés successivement au travers des laminoirs constitués par des cylindres qui compriment et étirent la masse relativement malléable en raison de sa température encore élevée (l’acier est déformé à environ 1200oC). L’étape ultérieure possible est le laminage à froid. Ce procédé est principalement utilisé pour façonner des tôles minces qui sont ensuite galvanisées et/ou pré-laquées ;

étirés ou tréfilés : par étirage ou tréfilage (à chaud ou à froid) on amène un produit déjà laminé à une section plus réduite et à une plus grande longueur pour former des barres ou des fils.

On distingue dès lors : les produits longs (poutrelles, palplanches, câbles, fils, ronds à béton...), obtenus par laminage à

chaud, étirage ou tréfilage ; les produits plats (tôles, bardages, profils minces, profils creux...) qui subissent en général un

laminage à froid supplémentaire, à l’exception des tôles de forte épaisseur.

Il existe aussi d’autres procédés moins courants de fabrication de pièces telles que le forgeage, le moulage...

V. 1. 2 La classification des produitsÉtant donné la vaste gamme de produits en acier offerte aux concepteurs, la nécessité d’une

réglementation des produits sidérurgiques apparaît évidente, concernant le produit (forme, dimensions, aspect et état de surface) mais aussi sa mise en œuvre.

a/ Les produits longs

On distingue plusieurs sous-familles de produits longs. Certains sont directement fabriqués dans les usines sidérurgiques et sont disponibles en stock sur catalogue.

Les laminés marchandsCe sont les ronds, les carrés, les ronds à béton, les plats, les cornières (L), les fers en T, les petits U…Tous ces produits ont une section pleine.

Ronds pleins Ces profils sont utilisés pour constituer des contreventements triangulés et éventuellement des barres tendues de système treillis.

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Cornières à ailes égales ou ailes inégales L’utilisation de ces profils est en régression, leur emploi en tant qu’élément de structure s’étant imposé dans le domaine des structures en treillis (sollicités en traction et compression) où ils sont jumelés. Ils sont cependant très fréquemment mis en œuvre et servent aussi à la constitution de tous les assemblages simples de profils en I ou en H. La gamme comprend des largeurs d’ailes variant de 35 à 200 mm

Les poutrellesLes poutrelles laminées peuvent avoir différentes sections, en I, en U, ou en H. Elles conviennent aussi bien pour les poteaux que pour les poutres et sont fabriquées en différentes nuances d’acier.

a / Profilés I ( double té à ailes étroites)

Ils sont utilisés comme éléments fléchis dans une seule direction ( ils présentent un fort déséquilibre entre les deus inerties), par exemple pour les traverses de portiques ou les solives de plancher (poutrelles).Quatre séries sont disponibles :

Hauteur

I PE à ailes à faces parallèles (profils européens) 80 à 600 mm

I PN à ailes inclinées (profils normaux) 80 à 600 mm

I PEA (profils européens allégés) 180 à 600 mm

I PER (profils européens renforcés) 180 à 600 mm

b / Profilés H ( double té à ailes larges)

Ils présentent une inertie latérale plus importante que les profilés en I, et sont adaptées pour reprendre des efforts de compression et des sollicitations combinées (poteaux de portiques).

Quatre séries sont disponibles : Hauteur

HEAA (profils H type A allégés) 100 à 1000 mm

HEA (profils H type A ) 100 à 1000 mm

HEB (profils H type B ) 100 à 1000 mm

HEM (profils H type M ) 100 à 1000 mm

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c / Profilés U

Il s’agit de profilés utilisés essentiellement pour des pièces secondaires en flexion et dans les triangulations d’ossatures en treillis où ils sont jumelés. .

Deux types de profilés eu U sont commercialisés :

Hauteur

UPN (profils à ailes inclinées) 80 à 400 mm

UAP (profils à faces parallèles) 80 à 300 mm

d / Produits dérivés des profils laminés et profils reconstitués soudés

Lorsqu’on se trouve devant de fortes charges (cas des halls industriels ou tours à plusieurs niveaux) ou de grandes hauteurs (poteaux électriques) nécessitant une grande inertie, il est nécessaire de réaliser l’assemblage de profilé quelconques entre eux, appelés profils reconstitués et soudés dits « P.R.S »

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b/ Les produits plats

Il s’agit essentiellement des tôles à froid et des produits fabriqués à partir de ces tôles. Parmi les produits plats, on trouve outre les tôles lisses, les tôles striées, à larmes, utilisées pour constituer des planchers, des bardages et des couvertures.

Les profils creux : Les tubes de construction sont appelés « profils creux ». Ils sont fabriqués encontinu à partir de tôles minces ou moyennes repliées dans le sens de leur longueur.Les soudures sont longitudinales pour les profils creux de petits et moyens diamètres (jusqu’à 400 mm), hélicoïdales pour les diamètres plus importants jusqu’à 1 000 mm environ. Ils sont dans ce cas toujours ronds.Les profilés creux dits « de forme » sont en général formés à partir de tubes ronds : ils peuvent être carrés, rectangulaires, hexagonaux, elliptiques, voire demi-elliptiques. Les longueurs standards sont de 6 à 15 m.

V. 2 COMPORTEMENTS MECANIQUES DE L’ACIERToute structure subit des sollicitations ou actions extérieures qui provoquent des déformations, mais

aussi des efforts internes, à savoir les contraintes. Les contraintes sont principalement de cinq natures différentes :

la traction ; la compression et le flambement ; la flexion ; le cisaillement ; la torsion.

Il reste par ailleurs d’autres phénomènes mécaniques ou efforts extérieurs à prendre en compte :– la résistance à la « rupture fragile » (résilience) ;– la fatigue.Enfin, certaines sollicitations particulières sont à prendre en compte :

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– les variations de température ;– les sollicitations dynamiques.

V. 2. 1 Eléments Soumis à la Traction Simple Soumise à une traction suivant sa section, une barre en acier s’allonge uniformément jusqu’à une

certaine limite, appelée limite d’élasticité. Il y a réversibilité du phénomène : si la charge est supprimée, la barre d’acier reprend sa dimension initiale (loi de Hooke).

Un élément soumis à la traction simple est dimensionné à la résistance.

Il faut vérifier que :

Nmax : effort normal pondéré le plus défavorable [ kg]e : limite élastique [ kg/ mm2]Anette : section nette [ mm2]

La section nette « Anette » est la section qui présente la plus courte ligne de rupture, elle est inférieure à la section brute « Abrute » et dépend du nombre de trous qu’elle traverse et de leur disposition.

a/ Cas des trous régulièrement distribués :

b/ Cas où les trous ne sont pas régulièrement distribués :

L’expression donnant les valeurs de chemin de rupture est :

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e

Abrute= b.eAnette = Abrute- 2.dtr.e

Pour « n » boulons :

Anette = Abrute- n.dtr.e

- Ligne A-B-C : An,1 = b.e- 2.dtr.e

- Ligne A-B-E-F : An,2 = b.e- 2.e.dtr – e.t1 + e.d1

- Ligne A-B-E-I-J : An,3 = b.e-3.e.dtr–e.(t1+t2) +e.(d1+d2)

- Ligne G-H-E-C-D : An,4 = b.e-3.e.dtr–e.(t1+t2) +e.(d4+d5)

Anette = Abrute- n.e.dtr - e ti + e di

F Fb

l1 l2 l3

t1

t2

An

F Fb

Ligne de rupture

probable

e e

dt

r


V. 2. 2 Eléments Soumis à la Compression Simple

Les déformations dues à la compression ne jouent pas toujours un rôle déterminant sur les éléments de structure verticaux. En revanche, un phénomène d’instabilité appelé « flambement » apparait à partir d’une certaine charge et en fonction du rapport existant entre la section et la hauteur de l’élément considéré. Le flambement est une forme d’instabilité propre aux éléments comprimés élancés tels que les poteaux, colonnes et barres comprimées.

Le dimensionnement des éléments comprimés se fait à la stabilité et non à la résistance.

Vérification à la stabilité : K e

Vérification à la résistance: e

Avec :

: Contrainte maximale pondérée à la compression

: Effort de compression maximal pondéré à la compression

A : section transversale K : coefficient de flambement, il dépend de l’élancement de la pièce et de la nuance d’acier : K = f ( , nuance).

Les règles CM66 proposent des tableaux donnant K en fonction de ( voir tableau)

: élancement de la pièce avec : lf = .l0

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N

z

l0 x

N

y

N

N

Lorsque N (effort de compression) croît, l’état d’équilibre de l’élément comprimé (en particulier les éléments élancés) évolue vers un état curviligne fléchi (c’est une flexion latérale) appelé « flambement »

y

x

z


i : rayon de giration

Imin : moment d’inertie minimum de l’élément A : Section transversale

= 1 Elément articulé dans les deux (02) extrémités = 2 Elément encastré dans une extrémité et libre dans l’autre = 0.7 Elément articulé dans une extrémité et encastré dans l’autre = 0.5 Elément encastré dans les deux (02) extrémités

Cas particulier : Pour les barres à treillis, la longueur de flambement est égale a : Montants et diagonales : lf = 0.8 l0

Membrures supérieures et inférieures : lf = 0.9 l0

Remarque : Le dimensionnement des éléments comprimés s’effectue par tâtonnement ( vérification à la résistance et à la stabilité ).

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DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS COMPRIMES

Etape de dimensionnement 1. Descente de charge ( évaluation)

2. Combinaison de charge

3. Détermination de l x et ly

4. Prendre un elancement moyen = 90

5. Détermination du coefficient de flambement K0

6. Calculer « (Abrute)nec » avec (Abrute)nec

7. Choisir une section brute « (Abrute)ch » avec (Abrute)ch (Abrute)nec

8. Détermination de = max ( x et y ) correspondant à (Abrute)ch et à K1

9. Vérification Si : e

Si : > e Il faut redimensionner la section

= 2

l0

= 1 =0.7 =0.5

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