CONCEPTION EMPANNAGE

Fournit les informations nécessaires à la conception de l'empannage d'un bâtiment à ossature en acier. Donne des précisions sur l'interaction panne-couverture.

Conception empannage - Fonction des pannes

Conception empannage - Différents types de pannes

Conception empannage - Liaison pannes - couverture

Conception empannage - Continuité des pannes.

Conception empannage - Liaison pannes- structure

Conception empannage - Liernes et Bretelles

Conception empannage - Spécificité des actions.

CONCEPTION EMPANNAGE - FONCTION DES PANNES

1 - Fonction des pannes

1-1 Fonction de base

La fonction première des pannes de toiture est d'assurer le transfert des actions appliquées à la couverture d'un bâtiment, à sa structure principale. Les lisses jouent le même rôle en façades. Pannes et lisses sont des constituants importants de la structure secondaire du bâtiment.

Il convient de noter que, dans bon nombre de bâtiments à structure en acier, à simple rez-de-chaussée, le poids des pannes et lisses constitue un élément non négligeable du poids global de la structure (15 à 20%); s'abstenir de l'optimiser peut faire perdre un marché dans un contexte très concurrentiel.

La conception de l'empannage d'un bâtiment est réalisée en fonction du type de couverture portée. La nature de la couverture a notamment une incidence directe sur l'espacement des pannes ; elle détermine également sur quelle interaction panne-couverture on peut compter pour le dimensionnement des pannes (voir article 3 - même dossier).

Un empannage comprend non seulement les pannes elles-mêmes (voir les différents types à l'article 2 - même dossier), mais également les éventuelles éclisses qui réalisent la continuité des pannes (voir article 4 même dossier), les échantignoles qui assurent la liaison entre pannes et structure principale (voir article 5 - même dossier), les liernes et bretelles éventuelles qui sont chargées du maintien latéral des pannes (voir article 6 - même dossier).

Les charges à considérer (voir développement les concernant dans l'article 7 du même dossier) sont principalement :

le poids propre de la couverture, des pannes et de leurs accessoires, le poids propre des éventuels équipements portés en toiture, les charges d'exploitation suspendues en intérieur (ex. : réseau sprinkler, éclairage.), la charge d'entretien en toiture, la neige, le vent.

Sous charges gravitaires ( poids propre, neige, entretien...), la panne est soumise à une flexion suivant la grande inertie de sa section, et à une flexion latérale de sa semelle supérieure (là où la charge est transmise) qui se développe ou non en fonction du rôle joué par la couverture.

Sous charges perpendiculaires au versant (vent, charges ascendantes ou descendantes), la panne est soumise à une fonction suivant la grande inertie de sa section.

fig 1. Chargement d'une panne

Nota : Sur la figure fig.1 ci-dessus, la panne est représentée avec l'âme perpendiculaire au versant, ce qui est presque toujours le cas. Il est très rare que les pannes soient mises en oeuvre avec leur âme verticale : cela conduirait à devoir poser la couverture sur cales biaises.

1-2 Pannes butons

En plus de la fonction principale décrite ci-dessus, on peut attribuer aux pannes la fonction de transmettre les actions de vent depuis la tête des potelets de pignon jusqu'à la poutre-au-vent de toiture (si cette poutre-au-vent n'est pas située dans la travée adjacente au pignon) :

voir la figure 2.

En plus de la flexion résultant de leur fonction principale, les pannes sont alors soumises à un effort normal, soit de compression, soit de traction, éventuellement excentré.

fig 2. Toiture d'un bâtiment - vue en plan

Base rectangulaire, couverture à deux versants, points bas en files A et B (long pans) faîtage à mi distance de A et B

Sur la figure 2 ci-dessus, les forces représentées sont les actions exercées, sous l'effet du vent, par les potelets structurant le pignon de la file 1 et qui s'appuient en tête sur certaines pannes. Sous l'effet de ces forces, les pannes jouant le rôle de buton, qui sont dessinées en bleu et repérées B, sont comprimées. Les pannes qui jouent le rôle de montant de la poutre-au-vent de toiture sont dessinées en rouge et repérées M.

Il convient de noter que, sous l'effet du même vent (même direction et même sens), les potelets structurant le pignon file 8 (sous le vent) exercent des efforts de traction sur les pannes sur lesquelles ils s'appuient : cet effet n'est pas représenté sur la fig.2 mais il se cumule à l'effet représenté, notamment pour le calcul de la poutre-au-vent.

On note encore qu'au faîtage, à mi-distance entre les files A et B, la panne est doublée : une panne faîtière en haut de chaque versant constitue la disposition courante qui permet la meilleure pose possible de la couverture.

Si on veut éviter d'ajouter la fonction de buton à la fonction principale des pannes, on peut disposer entre les têtes de potelets de pignon et la poutre-au-vent, des butons indépendants

(voir figure fig 3).

fig 3. Transmission avec ou sans panne - buton

1- 3 Pannes montants de poutres au vent

On peut également attribuer aux pannes la fonction de montant de la poutre-au-vent de toiture : voir sur la figure.2, les pannes montants de la poutre-au-vent de toiture repérées M et dessinées en rouge. Ces pannes peuvent alors être fortement comprimées dans le fonctionnement de la poutre-au-vent : les diagonales disposées en croix de Saint-André sont en général dimensionnées pour ne résister qu'à la traction et les montants sont, de ce fait, comprimés.

Comme pour la fonction « buton », si on veut éviter d'attribuer la fonction montant de poutre-au-vent aux pannes, on peut disposer des éléments indépendants (souvent des tubes) pour assurer cette fonction, notamment lorsque les efforts de compression dans les montants de poutre-au-vent deviennent importants (région à vent fort, poutre-au-vent de grande portée).

1 - 4 Stabilisation des éléments de la structure principale

On attribue aussi fréquemment aux pannes de toiture d'un bâtiment la fonction d'apporter une stabilité latérale aux éléments de la structure principale qui les reçoit (traverse de portique, par exemple).

Les pannes peuvent stabiliser la semelle de la traverse de portique (ou la membrure de la traverse-treillis) sur laquelle elles sont attachées (en général la semelle supérieure pour un

portique intérieur au bâtiment). On peut considérer comme points de maintien toutes les pannes butées sur la poutre-au-vent de toiture ; pour considérer les autres pannes comme des points de maintien, il faut pouvoir considérer la couverture comme un diaphragme.

On peut aussi utiliser les pannes pour stabiliser la semelle opposée de la traverse de portique (ou la membrure opposée de la traverse-treillis) : on met alors en place des bracons comme montré sur la figure fig.4.

Bracon d'un seul côté : il ne crée pas un appui supplémentaire pour la panne; le schéma statique n'est pas modifié. La panne subit un effort de stabilisation de la semelle tenue.

Bracons de part et d'autres de la traverse maintenue latéralement : ils créent des appuis supplémentaires pour la panne. On parle de " pannes braconnées".

Maintien de la membrure inférieure de traverses - treillis par contreventement vertical sur panne (ciseau).

fig 4. Stabilisation latérale de la structure principale par les pannes

CONCEPTION EMPANNAGE - DIFFERENTS TYPES DE PANNES

2 - Différents types de pannes

Un des éléments de la conception d'un empannage est le choix du type de pannes. D'une façon générale le choix s'opère entre les pannes en poutrelles laminées à chaud, le plus souvent IPE, et les pannes minces formées à froid, les pannes-treillis n'étant que plus rarement utilisées.

Ce choix, si il est laissé au constructeur de la structure en acier, est davantage un choix d'organisation de sa production qu'un choix lié aux performances de l'un ou l'autre produit. En effet, les pannes IPE et les pannes minces formées à froid peuvent remplir les mêmes fonctions.

Les pannes minces formées à froid et leurs accessoires sont le plus souvent étudiés et fabriqués par un industriel spécialisé qui détient les machines de profilage : le constructeur chargé de réaliser la structure en acier d'un bâtiment achète les pannes à un de ces industriels. A l'opposé, les pannes IPE sont le plus souvent étudiées et fabriquées par le constructeur de la structure principale. Un des critères de choix entre les deux options est la charge de l'atelier du constructeur : en surcharge, il préférera acheter de la panne formée à froid ; en sous-charge, il préférera fabriquer lui-même.

Quel que soit le type de panne retenu, la nature de la couverture détermine un espacement maximal entre pannes. Les documents définissant les performances des produits de couverture fournissent généralement des tables qui permettent de déterminer leur portée maximale (donc l'espacement maximal des pannes) en fonction de la charge portée.

La nature de l'isolation thermique de la toiture, si elle est réalisée par l'intérieur du bâtiment, peut également avoir une incidence sur le choix des pannes : espacement, hauteur minimale de la section.

2-1 Pannes en poutrelles laminées à chaud (IPE)

La gamme des poutrelles IPE de faible hauteur (jusqu'à IPE 240 environ) est largement utilisée pour réaliser des pannes.

Dans le tableau 1 ci-dessous, on donne une indication sur le choix de section à retenir dans la gamme des IPE, en fonction de la portée de la panne (variant de 5 à 10m) et en fonction de la charge par mètre linéaire de panne à l'ELS.

Ces indications sont fondées sur un critère de flèche du 200ème de la portée à l'ELS, et sur un critère de résistance sous chargement égal à 1,5 fois le chargement ELS. Le critère de résistance est l'atteinte de la capacité élastique en flexion simple de la section avec les hypothèses suivantes :

Acier S235, Pas d'abattement du moment sur appui due à la présence d'éclisses, Pas d'effort normal dans la panne (pas de rôle de buton),

Coefficients partiels : M0 = M1 = 1,0 Pas de flexion latérale prise en compte, Pas de déversement.

Les deux dernières hypothèses sont notamment tributaires du mode de stabilisation latérale des pannes (rôle de la couverture : voir article 3 ; liernage : voir article 6 du même dossier).

Les choix mentionnés dans le tableau 1 sont donc bien indicatifs : ils ne tiennent en aucun cas lieu de note de calculs justifiant la résistance des pannes.

Dans le tableau 1, l'indication (f) distingue les cas où le critère de flèche conduit à sélectionner un échantillon supérieur à celui résultant du critère de résistance : cela se produit de façon systématique - ou presque - dans les configurations « panne isostatique », et également dans les configurations « en continuité » pour les portées importantes. A noter que le critère de flèche deviendrait prépondérant dans un nombre de cas bien plus grand avec un acier S355.

On peut également noter dans le tableau que la mise en continuité des pannes conduit de façon systématique à en réduire la section.

tab.1 : choix de la section d'une panne dans la gamme IPE

2-2 Pannes minces formées à froid

Les pannes minces formées à froid sont généralement réalisées par profilage à partir d'une tôle en acier, processus de fabrication qui permet d'obtenir toutes les formes imaginables. Cependant les principales formes de section utilisées pour les pannes sont les Sigma et les Zed.

fig.5 : Sections de pannes formées à froid

Pour les Sigma et les Zed, les gammes de hauteur et d'épaisseur sont à peu près les mêmes :

Hauteur de la section H comprise entre 140 et 350 mm, Epaisseur de la tôle profilée comprise entre 1,5 et 4 mm.

La largeur de la semelle b est souvent de l'ordre de 70 mm. A noter que pour les pannes Zed, les largeurs de la semelle supérieure et de la semelle inférieure diffèrent légérement pour permettre la mise en continuité des pannes par emboîtement.

Alors que pour les pannes en profilé laminé à chaud, la portée ne dépasse généralement pas 10 m, pour les profilés formés à froid, les portées franchies peuvent atteindre 12 à 15m, ce qui permet de rduire le nombre de portiques.

2-3 Pannes treillis

Elles sont peu utilisées.

On peut concevoir des pannes-treillis à membrures parallèles, comme montré à la figure 6. Les principales questions liées à la conception de telles pannes sont celles liées à la conception de toutes les poutres à treillis :

Maîtrise des moments de flexion secondaires résultant de : o La continuité des barres ou l'encastrement des barres les unes sur les autres, o Excentrements d'épure éventuels, o Charges appliquées entre nouds.

Maîtrise des déplacements additionnels dus aux jeux présents dans les attaches boulonnées

Le rapport L/H est de l'ordre de 15.

fig 6 : Panne treillis

On peut classer au chapitre des pannes treillis les poutres triangulaires recevant la couverture dans une toiture en sheds (voir figure 7), portant entre poutres treillis principales : cette conception est encore utilisée pour la réalisation d'ateliers (ex : industrie automobile). Le vitrage incliné, orienté Nord, permet d'obtenir un éclairage naturel efficace.

fig 7 : Panne treillis dans toiture en Sheds

CONCEPTION EMPANNAGE - LIAISON PANNES - COUVERTURE

3 - INTERACTION PANNES - COUVERTURE

Un autre paramètre majeur de la conception d'un empannage est le rôle attribué à la couverture dans le cadre du projet. La couverture peut-elle être utilisée pour la stabilisation latérale des pannes ?

Il importe que l'option retenue soit clairement définie dans les documents du marché, notamment si la réalisation de la structure en acier d'une part, et celle de la couverture d'autre part, sont confiées à des entreprises différentes (c'est souvent le cas dans certains pays, notamment en France). Cette clarification contractuelle permet à tous les intervenants de tenir compte des mêmes hypothèses.

3-1 Cas des couvertures constituées par des plaques nervurées en acier associées ou non à d'autres matériaux, vissées sur les pannes :

La stabilisation des pannes par la couverture est traitée par la partie 1.3 de l'Eurocode 3 (EN 1993 1-3).

Si les documents du marché excluent cette utilisation de la couverture, la construction est dite « de classe 3 », au sens de l' EN 1993 1-3.

Si les documents du marché prescrivent en revanche cette utilisation de la couverture, la construction est dite « de classe 2 ».

Pour mémoire, dans une construction « de classe 1 », la couverture est utilisée pour la stabilisation globale du bâtiment (cas non envisagé ici).

Dans une construction de classe 3, quelle que soit la nature des pannes (profilés laminés à chaud - IPE - ou pannes formées à froid) :

La composante, suivant la pente du versant, des charges gravitaires est reprise par flexion latérale de la semelle supérieure des pannes. Il convient de maîtriser les contraintes et les déplacements résultant de cette flexion en prévoyant des liernes en nombre suffisant.

Les déplacements latéraux doivent être très limités pour être compatibles avec l'hypothèse de non-transmission d'effort à la couverture dans son plan (par exemple, le 500ème de la distance entre liernes.

Les pannes doivent être stables au déversement (et au flambement si elles ont un rôle de buton) sans aucun recours à la couverture.

Dans une construction de classe 2 :

La composante, suivant la pente du versant, des charges gravitaires est transmise par la couverture directement à la structure principale (portiques par exemple), sans mettre les pannes en flexion latérale.

Les pannes sont maintenues au déversement par la couverture : o Maintien rigide et déversement exclu quand la semelle comprimée est celle sur

laquelle la couverture est vissée (cas général : semelle supérieure des pannes comprimée sous moment fléchissant positif),

o Maintien semi-rigide et déversement gêné quand la semelle comprimée est celle sur laquelle la couverture n'est pas fixée (cas général : semelle inférieure des pannes comprimée sous moment fléchissant négatif),

o Ce maintien semi-rigide résulte de l'encastrement panne-couverture ; voir figure 8 ci-dessous,

La couverture acquiert un rôle structurel :

Il appartient à celui qui conçoit l'empannage en tenant compte de la stabilisation des pannes par la couverture de définir les efforts induits dans la couverture dans son plan (fonctionnement en diaphragme),

Il appartient à celui qui conçoit la couverture de tenir compte de ces efforts d'interface lorsqu'il justifie la résistance du produit qu'il met en oeuvre et de ses fixations,

Il appartient au propriétaire du bâtiment de ne pas entreprendre d'aménagements du bâtiment qui pourraient altérer la résistance de la couverture dans son plan, telle qu'elle a été prise en compte lors de l'étude des pannes,

Il est clair que la stabilisation des pannes par la couverture permet un gain non négligeable sur la constitution de l'empannage (section des pannes moins importante, nombre de liernes diminué).

Ce gain est obtenu au prix de l'introduction des efforts d'interface dans le plan de la couverture. Dans la grande majorité des cas, ces efforts n'ont pas d'incidence sur le dimensionnement de la couverture (ils sont généralement faibles vis-à-vis de la capacité de la couverture dans son plan). Il faut cependant porter une attention particulière à la

résistance des points de liaison entre couverture-diaphragme et structure principale (voir article 5 - même dossier) où se trouve concentrée la transmission des efforts dans le plan de la couverture.

Il faut aussi noter le changement de « statut administratif » de la couverture qui acquiert un rôle structurel.

A noter encore : la stabilisation des pannes par une couverture en plaques d'acier nervurées vissées a longuement été implicitement utilisée car il est physiquement indiscutable qu'une telle couverture a, dans son plan, une rigidité très largement supérieure à celle des pannes en flexion latérale. Avec le classement défini par l'EN 1993 1-3, cette utilisation de la couverture devient explicite.

La rigidité globale de l'encastrement dépend de la rigidité de l'âme de la panne en flexion, de la rigidité du bac de couverture en flexion et de la rigidité locale de la fixation panne - couverture. Elle peut être déterminée expérimentalement ou en utilisant des valeurs forfaitaires données par l'Eurocode 3 Partie 1-3 (EN 1993-1-3).

fig 8 : Stabilisation de la semelle inférieure par encastrement élastique panne - couverture

Chaque panne stabilisée transmet à la couverture des efforts d'interface. Le panneau de

couverture "surligné" constitue un diaphragme appuyé sur les deux portiques (structure principale) qui le bordent : ce diaphragme a pour rôle de transmettre l'ensemble des efforts d'interface qui lui sont appliqués par les pannes, à la structure principale, sans mise en flexion latérale des pannes. Il convient de s'assurer que la liaison diaphragme - structure principale est suffisamment résistante.

fig 9 : Vue en plan d'un versant de toiture - diaphragme élémentaire entre portiques

3-2 Autres matériaux

Pour d'autres matériaux de couverture ayant un comportement comparable à celui des plaques nervurées en acier on peut adopter une démarche comparable.

Pour les matériaux translucides utilisés dans les bâtiments industriels pour créer un éclairage naturel, il est d'usage de ne pas considérer qu'ils sont aptes à stabiliser les pannes.

Si on veut préserver la fonction de diaphragme d'un panneau de toiture constitué principalement de plaques nervurées vissées en acier, dans lequel on intègre des éléments translucides, il convient de respecter les règles suivantes :

Aucune plaque translucide n'est placée dans une bande de 1 mètre au moins de part et d'autre de l'axe du portique ou de la poutre supportant les pannes.

Les pannes faîtières et de bas de versant ne peuvent pas servir d'appui aux plaques translucides,

Toutes les plaques translucides ne portent que sur 2 appuis et sont toujours intercalées suivant versant entre deux plaques acier.

CONCEPTION EMPANNAGE - CONTINUITE DES PANNES.

4 - CONTINUITE DES PANNES

4-1 Ce qu'apporte la continuité : flèches, moments, actions sur supports

Le fait de mettre en continuité une panne de toiture sur 3 appuis ou plus modifie de façon sensible les sollicitations et les flèches.

Pour une panne en flexion uniaxiale (suivant sa grande inertie) :

Flèche maximale sous l'effet de q : charge uniformément répartie o Panne isostatique, sur 2 appuis simples :

f0 = 5qL4/384EI, o Panne sur 3 appuis, continuité parfaite : f = 0,4 f0, o Panne sur 4 appuis et plus : f = 0,5 f0

La mise en continuité d'une panne soumise à une charge uniformément répartie permet de diviser sa flèche par 2 (par rapport à la panne sur deux appuis simples).

Moment maximal sous q : o Panne isostatique, sur 2 appuis simples :

M0 = qL2/8 o Panne sur 3 appuis, continuité parfaite :

Mmin = -M0 (sur appui central) et Mmax = 0,56 M0 (en travée)

o Panne sur 4 appuis et plus : Mmin = -0,84 M0 (sur premier et dernier appuis intermédiaires) et Mmax = 0,63 M0 (en travées de rive).

La mise en continuité sur au moins 4 appuis diminue la valeur absolue du moment de flexion principale.

Action maximale sur appui sous l'effet d'une charge uniformément répartie q : o Appui recevant une panne isostatique de part et d'autre : R0 = qL, o Panne sur 3 appuis :

R = 1,25 R0 sur appui central, o Panne sur 4 appuis et plus :

R = 1,1 R0 sur premier appui intermédiaire

La mise en continuité majore l'action des pannes sur certains appuis. Il convient d'en tenir compte pour le dimensionnement des structures supports (portiques par exemple).

De ce qui précède, on tire les conclusions suivantes :

La mise en continuité des pannes est particulièrement intéressante lorsque le critère de flèche est prépondérant, donc pour les longues travées (au delà de 6 m environ),

Si les pannes sont continues sur toute la longueur du bâtiment, l'action sur le premier et le dernier appuis intermédiaires est majorée par rapport à la répartition isostatique,

Si les pannes sont en continuité par tronçons sur la longueur du bâtiment, on cherchera à minimiser la majoration de l'action sur certains portiques en décalant les appuis à réaction majorée d'un cours de panne à l'autre (notamment si les pannes sont continues par tronçons de deux travées).

4-2 - Mode de réalisation de la continuité des pannes IPE

Il est d'usage de réaliser la continuité des pannes en profilés laminés (IPE) par assemblage boulonné.

Deux types d'assemblages sont possibles :

Les assemblages où les efforts transmis sont perpendiculaires aux tiges des boulons, Les assemblages où les efforts transmis sont parallèles aux tiges des boulons.

Pour les premiers comme pour les seconds, il est d'usage de ne pas utiliser de boulons à serrage contrôlé, mais des boulons dits « ordinaires ». Cela signifie que dans la première famille d'assemblages les boulons sont cisaillés (et dans la deuxième, les boulons sont tendus). La pratique la plus répandue est l'éclissage de continuité par boulons cisaillés, comme montré sur la figure 10 ci dessous, qui permet une meilleure commodité de montage.

La continuité est réalisée par éclissage sur l'âme des deux tronçons de pannes à rendre continus : on n'éclisse pas les semelles car l'éclissage de la semelle supérieure gênerait l'appui de la couverture sur la panne ; l'éclissage de la semelle inférieure gênerait l'appui de la panne sur la structure principale en cas de continuité réalisée sur appui. L'éclissage est symétrique par rapport au plan de l'âme (une éclisse de part et d'autre) : les boulons travaillent au double cisaillement. Attention : limiter le jeu des boulons dans leur trou sous peine de n'avoir qu'une continuité partielle (cf. ci-dessous).

fig 10 Eclissage de continuité par boulons cisaillés

La continuité est réalisée par platines d'about soudées à l'extrémité de chaque tronçon de panne et boulonnées entre elles. On ne peut pas utiliser de boulons extérieurs côté semelle supérieure, pour ne pas gêner la pose de la couverture. On ne peut utiliser des boulons extérieurs (en pointillé) côté semelle inférieure que si le joint de continuité est décalé par rapport à l'appui ; cette disposition n'a d'intérêt que si la semelle inférieure est en forte traction dans la section où la continuité est réalisée, ce qui n'est pas fréquent. La disposition courante est donc : platine sans boulon extérieur.

fig 11 Continuité par platine d'about et boulons tendus

4-3 Mode de réalisation de la continuité des pannes formées à froid : cas des Zed par emboitement ; cas des Sigma par éclissage

La continuité des pannes Zed (figure 12) est réalisée par emboîtement d'un profilé dans l'autre :

o Le recouvrement est obtenu en donnant aux tronçons une sur-longueur par rapport à la longueur de la travée. En général, la sur-longueur est de l'ordre de 0,1L au-delà de chaque appui ( un tronçon courant a ainsi une longueur de 1,2L ). Pour les tronçons de rive, on donne souvent une sur-longueur un peu plus grande, de l'ordre de 0,15L au-delà du premier appui intermédiaire du fait que le moment sur cet appui est maximal en valeur absolue ( un tronçon de rive a ainsi une longueur de 1,15L ).

o La rigidité de l'assemblage, notamment dans les cas de recouvrement court,

doit être évaluée par l'expérimentation.

fig 12 Continuité des pannes

La continuité des pannes Sigma est assurée par éclissage. o Les éclisses sont généralement profilées à froid, comme les pannes, mais à

partir de tôles d'acier plus épaisses (de l'ordre de 4mm). Ce mode de fabrication permet de leur donner une forme exactement adaptée à leur fonction, et la continuité se fait à la fois par cisaillement des boulons (comme montré en figure 1) et par emboîtement de l'éclisse dans le creux d'âme du Sigma.

o Compte tenu de la forme de la section des pannes, l'éclissage est placé d'un seul côté, avec des boulons au simple cisaillement.

o La rigidité de l'éclissage, notamment dans les cas d'éclissage court, doit être évaluée par l'expérimentation.

4-4 - Semi-rigidité des assemblages de continuité ; calcul simple illustrant la prise de rotation par jeux dans un éclissage court Il faut prendre garde au fait que les avantages de la continuité des pannes peuvent être rapidement perdus si l'assemblage réalisé entre deux tronçons consécutifs est insuffisamment rigide. L'EN 1993 -1.3 prescrit d'ailleurs de tenir compte de la semi-rigidité éventuelle de cet assemblage pour le calcul des sollicitations et des déplacements. Cette prescription doit être étendue à tous les types de pannes, IPE ou minces formées à froid Prenons l'exemple d'une panne à deux travées de 10 mètres, avec continuité réalisée par éclissage :

Notations - Valeurs numériques

La longueur totale de l'éclisse est de 1m (500mm de part et d'autre de l'appui) ;

l'assemblage de l'éclisse sur chaque tronçon de panne est réalisé par 4 boulons de diamètre 16mm, logés dans des trous de 18mm de diamètre (2mm de jeu).

La prise de jeu permet une rotation de 4/350 = 0,0114 rd, ce qui correspond à libérer, sur appui, un moment égal à 0,0114 (3EI/L).

Si on suppose que la panne a été dimensionnée par le critère de flèche de L/200 à l'ELS, avec l'hypothèse d'une continuité parfaite :

L/200 = 2 qELS L4 / 384EI soit EI = 400 qELS L3 / 384,

Le moment libéré sur appui vaut :

0,0114 x 1200 qELS L2 / 384 = qELS L2 / 28,

La flèche additionnelle en travée vaut environ :

(qELS L2 / 28)(L2 / 16) = qELS L4 / 448EI,

La flèche a donc augmenté de 43% !!! et n'est plus admissible.

Attention donc à la maîtrise des jeux dans les assemblages de continuité.

CONCEPTION EMPANNAGE - LIAISON PANNES- STRUCTURE

5 LIAISON DES PANNES A LA STRUCTURE PRINCIPALE

5-1 Fonction des assemblages panne - structure principale

La fonction de ces assemblages est de transmettre les actions appliquées à la toiture (ensemble constitué de l'empannage et de la couverture) à la structure principale.

Les actions transmises ont :

Une composante perpendiculaire au plan du versant, descendante ou ascendante, Une composante parallèle au plan du versant, généralement dans le sens de la pente

La composante perpendiculaire au versant résulte de la flexion de la panne suivant sa grande inertie.

La composante parallèle au versant résulte :

Soit de la flexion latérale de la semelle supérieure de la panne si la couverture n'a pas de rôle stabilisateur,

Soit du fonctionnement en diaphragme élémentaire de la couverture si on lui a attribué un rôle stabilisateur

5-2 Différents types de liaisons

La liaison panne / structure principale peut être réalisée :

Soit (1) par boulonnage direct de la semelle inférieure de la panne sur la semelle supérieure de la poutre principale (traverse de portique en général),

Soit (2) par l'intermédiare d'une échantignole, simple ou double, Soit (3) par doubles cornière âme de panne sur âme de poutre principale.

La solution (2), par échantignole, est la plus utilisée car elle permet un montage plus facile et permet aussi de donner la raideur nécessaire à l'attache vis-à-vis des efforts parallèles au versant. De plus, dans le cas des pannes minces profilées à froid, elle évite le problème d'écrasement de l'âme sur appui.

La solution (3) n'est que rarement utilisée.

Boulonnage direct de la panne sur la semelle de la traverse du portique. Sous l'effet de l'effort de soulèvement, la semelle inférieure de la panne est fléchie et les boulons de fixation sont tendus. Sous l'effet de l'effort parallèle au versant, l'âme de la panne est mise en flexion.

Assemblage par échantignole : l'échantignole est réalisée au moyen d'un plat plié ; elle est dimensionnée en flexion sous l'effet de l'effort de soulèvement et de l'effort suivant versant. Ce type d'attache ne convient que pour des efforts modestes.

Assemblage par échantignole double ( raidie ou non) : permet de transmettre des efforts plus importants.

Attention à la compatibilité entre éclisse et échantignole lorsque la continuité est réalisée sur appui.

Assemblage par cornières jumelées de chaque tronçon de panne sur l'âme de la poutre porteuse (traverse de portique).

Assemblage par échantignole simple en plat plié pour panne SIGMA - la panne est "suspendue" pour éviter la compression locale de l'âme - aussi utilisé pour les pannes ZED emboitées. L'échantignole peut être raidie.

fig 13 Différents types d'échantignoles

CONCEPTION EMPANNAGE - LIERNES ET BRETELLES

6 LIERNES ET BRETELLES

6-1 - Fonctions des liernes et des bretelles

Le liernage des pannes d'une toiture a les fonctions suivantes :

En phase de montage du bâtiment, assurer la rectitude des pannes avant mise en place de la couverture :

o Pour permettre une mise en ouvre correcte des fixations couverture / panne (vis auto-taraudeuses dans la partie plane de la semelle de panne),

o Pour obtenir un aspect satisfaisant des pannes vues de l'intérieur du bâtiment, o Pour ne pas perturber le comportement structurel des pannes.

En phase d'exploitation du bâtiment, apporter aux pannes un maintien latéral : o En association avec la couverture si on confère à la couverture un rôle de

diaphragme stabilisant les pannes. o De façon autonome, si la couverture n'a pas de rôle stabilisateur,

Apporter un maintien latéral signifie :

o Limiter la portée de la panne stabilisée (ou de sa semelle supérieure isolée) vis-à-vis des actions latérales (suivant versant),

o Limiter la longueur de déversement sous moment négatif et/ou positif, o Limiter la longueur de flambement latéral pour les pannes comprimées (celles

qui ont une fonction de buton).

Pour remplir correctement ces fonctions, il faut créer dans le plan de chaque versant un élément structurel raide : les liernes seules ne suffisent pas (les liernes seules égalisent le déplacement latéral des pannes mais ne l'annulent pas), il faut leur associer des « bretelles » qui permettent de constituer une poutre-treillis dans le versant, dont les membrures sont deux pannes voisines, les montants sont les liernes et les diagonales sont les bretelles.

Cette poutre treillis est généralement constituée en haut de versant de façon à ce que les liernes soient tendues sous charges gravitaires, sauf leur tronçon supérieur (dans la hauteur de la poutre-treillis), les bretelles étant également positionnées de façon à être tendues.

Suivant la longueur du versant, il peut être nécessaire de placer une poutre de liernage intermédiaire : prévoir un rang de bretelles tous les 15 mètres de versant environ.

En présence d'une couverture jouant un rôle de diaphragme, il est possible de justifier la stabilité de certaines pannes sans avoir recours à des liernes ; les liernes (ou des éléments équivalents) restent cependant nécessaires en phase de montage.

Un ordre de grandeur de l'espacement des liernes est donné par :

Portée de la panne inférieure à 6 mètres : une lierne à mi-portée, Portée comprise entre 6 et 8 mètres : deux liernes aux tiers points, Portée comprise entre 8 et 10 mètres : trois liernes aux quarts points.

Les éléments ci-dessus décrits sont représentés sur la figure 14.

fig 14 - vue en plan d'un versant

6-2 - Différents types de liernes

Si on met des liernes en ouvre, il importe que ces liernes soient efficaces pour la fonction qu'on leur attribue, notamment en phase de service du bâtiment couvert : doivent-elles maintenir latéralement la semelle supérieure des pannes ? leur semelle inférieure ? leurs deux semelles ?

La fonction attribuée aux liernes est, on l'a vu, tributaire de celle attribuée à la couverture. Par exemple, si on a attribué à la couverture un rôle de diaphragme (couverture en plaques nervurées en acier, vissées sur les pannes), il n'est pas nécessaire d'attribuer aux liernes le rôle de stabiliser la semelle supérieure des pannes (celle sur laquelle la couverture est vissée). Si l'encastrement panne / couverture est suffisant, il peut de plus ne pas être nécessaire de stabiliser la semelle inférieure par des liernes.

Si, en revanche, on n'a pas attribué à la couverture un rôle de diaphragme, le liernage est utilisé pour stabiliser latéralement :

la semelle supérieure : les liernes constituent un appui de la semelle supérieure vis-à-vis des charges suivant versant, et vis-à-vis du déversement de la panne sous moment positif (en travée sous charges descendantes, sur appuis sous charges ascendantes).

la semelle inférieure : les liernes constituent alors un appui de la semelle inférieure vis-à-vis du déversement sous moment négatif (en travée sous charges ascendantes,

sur appuis sous charges descendantes).

Pour être efficace, les liernes doivent avoir une certaine raideur : une tige filetée de diamètre 8mm placée à mi-hauteur d'âme (comme on en voit parfois) est généralement inefficace ; préférer les liernes en cornière ou en tube.

Maintien de la semelle inférieure - semelle supérieure maintenue par la couverture jouant le rôle de diaphragme.

Maintien des 2 semelles : lierne en cornière, fixation par cornière soudéesur lierne et 2 boulons sur panne.

Maintien des deux semelles : lierne en tube, continue au droit des pannes.

Maintien des deux semelles : lierne en cornière, continue au droit des pannes, fixation par cornière soudée sur lierne et 2 boulons sur panne.

fig 15 - différents types de liernes

Conception empannage - Spécificité des actions. 7 - SPECIFICITE DES ACTIONS EXERCEES

7 - 1 - Neige

La neige est souvent une des charges prépondérantes pour le dimensionnement des pannes de toiture, notamment lorsque la couverture a un faible poids propre. Le poids de neige à retenir dans les calculs est fonction de la région dans laquelle le bâtiment est construit, de

l'altitude du site, et de la forme de la construction.

Il faut notamment prendre garde aux phénomènes d'accumulation (répartitions non uniformes de la neige sur la toiture) liés à la forme des constructions.

Construction avec décrochement en élevation : la charge de neige par m² est plus importante au pied du décrochement qu'en zone courante. Si on garde un espacement de panne constant , les pannes doivent être plus résistante dans la zone de forte charge ; or, pour que la pose de la couverture soit correcte, il faut que les pannes aient la même hauteur.

Pour les pannes profilées à froid, il est facile d'avoir une résistance supérieure à hauteur constante ; il suffit d'augmenter l'épaisseur de la tôle à partir de laquelle la panne est profilée. En revanche, pour les pannes en IPE, il n'est pas économique de prendre des HEB de même hauteur, mieux vaut adopter une solution par rapprochement des pannes dans la zone de plus forte charge.

Même phénomène le long d'un acrotère de long pan ( en bas d'un versant) : dans cette zone, il faut des pannes plus résistantes à espacement constant, ou des pannes plus rapprochées.

7 - 2 - Vent

Soulèvement en toiture dans les bâtiments ouverts

Dans bon nombre de configurations courantes, l'action exercée par le vent sur les toitures est une action de soulèvement. Il faut accorder une grande attention aux ouvertures existant dans les parois verticales du bâtiment qui peuvent provoquer une augmentation notable de cette action de soulèvement. Un soulèvement significatif en toiture a une influence sensible sur la conception de l'empannage : semelle inférieure des pannes comprimée en travée (à maintenir vis-à-vis du déversement), échantignoles fortement sollicitées.

Action descendante du vent sur les bâtiments avec décrochement en élévation

Dans certains cas particuliers, le vent peut avoir une action descendante significative sur une

partie de toiture. C'est le cas notamment des toitures avec décrochement en élévation.

Pannes comprimées

Lorsque le pignon d'un bâtiment classique est frappé par le vent, les pannes, jouant le rôle de buton ou de montant de poutre-au-vent, se trouvent comprimées.

Il importe, lors de la conception de la structure, de maîtriser les excentrements dans la transmission de ces efforts de compression.

Attention aussi : si on veut éviter de mettre les potelets de pignon en compression, il faut prévoir des trous oblongs à grand axevertical dans lea liaison potelet / traverse.

7 - 3 - Charges d'exploitation

Charges suspendues

Le mode d'application des charges d'exploitation intérieures au bâtiment a une incidence sur la conception des pannes.

Les charges suspendues à la semelle inférieure peuvent générer des contraintes locales qu'il convient de limiter autant que faire se peut :

o Les charges gravitaires ont une composante suivant versant qui met en flexion

latérale la semelle inférieure : pour limiter cette flexion, introduire ces charges au voisinage de liernes stabilisant la semelle inférieure.

o Les charges accrochées en bout de semelle provoquent la flexion de cette semelle (contrainte perpendiculaire aux contraintes de flexion générale, et cumulables dans une combinaison de Von Mises).

Equipements posés en toiture

Lorsque des équipements sont posés en toiture, il faut évidemment tenir compte des charges dues à leur poids pour le calcul des pannes. Il faut également évaluer l'incidence qu'ils ont sur les charges climatiques en toiture (accumulation de neige autour d'un équipement formant une excroissance par rapport au plan de la toiture, actions locales du vent, combinaisons neige + vent).

Dans ce même paragraphe, on peut citer les lanterneaux éclairants en forme de voûtes, qui exercent en pieds de voûte une poussée suivant leur ligne d'appui (généralement horizontale).

7 - 4 - Charges d'entretien

Une charge en toiture qui est quelquefois oubliée pour le dimensionnement des pannes est la charge d'entretien. Elle peut avoir une incidence importante lorsque la couverture est multicouche avec étanchéité, dans la mesure où la charge d'entretien prend alors en compte un stockage en toiture de matériaux de remplacement lors des travaux de réfection.

La charge d'entretien a alors, le plus souvent, une valeur par m2 supérieure à celle de la neige (avec laquelle elle n'est pas cumulable, car on suppose qu'on évite de réaliser des travaux significatifs en couverture par temps de neige), et peut donc avoir une incidence directe sur le dimensionnement des pannes.

De plus, la charge d'entretien est locale : elle n'affecte qu'une seule travée de pannes continues, ce qui constitue un facteur aggravant pour le moment en travée et la flèche.

Concernant la flèche des pannes, il faut bien prendre garde à ce que la charge d'entretien ne crée pas de contre-pente en couverture (les couvertures multicouches sont à faible pente), car, si on exclut le cumul charge d'entretien + neige, on ne peut en revanche pas exclure qu'une forte pluie survienne en cours de travaux de réfection. La présence d'une contre-pente initie alors un phénomène d'accumulation d'eau.

7 - 5 - Risques d'accumulation d'eau : fonte de la neige, pluie

Les couvertures à faible pente (inférieure à 5%) sont sensibles aux phénomènes d'accumulation d'eau (l'EN 1993 1-3 prescrit d'ailleurs de les prendre en compte, mais sans indiquer comment).

Exemple de scénario : sous l'effet d'une forte chute de neige, pannes et couveture se déforment. Si ces déformations sont telles que la pente sur couverture se trouve inversée, lorsque la neige fond, l'écoulement des eaux de fonte vers les descentes se trouve empêché et des flaques se forment. Plus la couverture et les pannes sont souples, plus les flaques sont profondes et étendues . La charge d'eau peut y devenir supérieure à la charge de neige, voire supérieure à la résistance des pannes. De plus, une succession d'épisodes chute de neige, fonte, chute de neige, fonte.n'est pas exclue et aggrave le phénomène. Il importe donc de concevoir un empannage suffisamment raide pour que l'écoulement des eaux de fonte de la neige soit toujours possible : pas de contre-pente sous les combinaisons de charges E.L.U. intégrant la charge de neige : c'est un des cas -rares - où il importe de vérifier un critère de déformation pour des combinaisons E.L.U.

Autre exemple de scénario : lors de la réfection d'une couverture multicouche, pannes et couverture se déforment sous l'effet de la charge d'entretien. Si ces déformations sont telles que la pente sur couverture se trouve inversée et qu'une forte pluie survient, son écoulement vers les descentes se trouve empêché et le phénomène d'accumulation est initié. Il importe donc de concevoir un empannage suffisamment raide pour que l'écoulement des eaux de pluie reste possible dans de telles circonstances : critère de déformation à vérifier sous combinaisons E.L.U. incluant la charge d'entretien.