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ESDEP

GROUPE DE TRAVAIL 1B

CONSTRUCTION METALLIQUE :

INTRODUCTION A LA CONCEPTION

Leçon 1B.7.1

Introduction à la conception des bâtiments à étages

1

ère partie

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OBJECTIF

Présenter les principes préliminaires au calcul et à la conception des bâtiments à étages.

PREREQUIS

Une compréhension des principes de conception et d'organisation des structures.

LEÇONS CONNEXES

Leçon 1B.1 : Le processus de conception

Leçon 1B.2.1 : Les différentes philosophies de la conception

Leçon1B.2.2 : La philosophie du calcul aux états limites et les coefficients partiels de

sécurité

Leçon1B.3 : Notions de base sur les charges

RESUME

Cette leçon donne une brève description des principaux composants des ossatures

d'immeuble. Elle présente différents ajustements structuraux pour résister aux charges

horizontales et verticales. Enfin, la question de la protection incendie est abordée.

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1. INTRODUCTION

Une structure multi-étagée doit résister à l'effet combiné des charges horizontales et

verticales ; elle est composée des fondations, de l'ossature et des planchers.

L'ossature comprend les poteaux et les poutres, ainsi que les contreventements

horizontaux et verticaux qui stabilisent l'ouvrage pour résister aux actions horizontales

(vent et charges sismiques).

Les planchers sont supportés par des poutres de façon à ce que les charges verticales

soient transmises aux poteaux. Ils sont réalisés soit à partir d'une dalle en béton armé,

soit à partir d'une dalle mixte utilisant des bacs acier. Les poteaux sont communément

réalisés à partir de profilés laminés en H ou de poteaux creux à section circulaire. Les

sections creuses remplies de béton peuvent améliorer la résistance au feu des poteaux.

Les poutres sont communément faites à partir de profilés laminés en I ou en H.

Néanmoins, l'utilisation de sections reconstituées soudées peut offrir des solutions plus

avantageuses dans certains cas.

Les systèmes structuraux usuels appartiennent essentiellement à deux catégories : les

systèmes de cadre résistant aux moments fléchissants et les systèmes contreventés, les

seconds étant les plus simples et, par conséquent, présentant les solutions les plus

économiques.

Dans les ossatures contreventées, les contreventements verticaux sont formés de barres

diagonales réparties dans l'ossature en acier. Ces contreventements peuvent être de

forme différentes (soit des contreventements en croix de Saint-André, soit des

contreventements en forme de V ou de V inversé, soit des portiques symétriques ou non

symétriques). Comme alternative aux ossatures contreventées, on utilise les ossatures

avec des voiles ou des noyaux en béton armé.

Les principaux composants d'une structure multi-étagée et leur conception sont décrits

dans les chapitres suivants.

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2. LES SCHEMAS STRUCTURAUX

Les ouvrages multi-étagés comprennent les éléments structuraux suivants (figure 1) :

a. les fondations

b. l'ossature

c. les planchers

Les fondations sont réalisées en béton armé. Le type de fondation est choisi en accord

avec les caractéristiques et les conditions du sol.

L'ossature est le squelette en acier qui fournit la résistance aux charges s'exerçant sur la

structure et supporte les éléments secondaires tels que les planchers et les bardages.

Toutes les charges extérieures, verticales ou horizontales, sont transmises aux

fondations au moyen de l'ossature en acier. Celle-ci est principalement composée

d'éléments verticaux (poteaux) et d'éléments horizontaux (poutres) pouvant être

assemblés de différentes façons. En fonction du mode d'assemblage entre la poutre et le

poteau, l'ossature peut être considérée comme étant « rigide », « semi-rigide » ou

« articulée ». Pour le cas des ossatures articulées, celles-ci doivent comprendre des

éléments de contreventement qui sont positionnés dans des espaces rectangulaires

bornés par les poteaux et les poutres.

Les planchers doivent résister aux charges verticales agissant directement sur eux et

doivent transmettre ces charges aux poutres qui les supportent. Il s transfèrent aussi les

charges horizontales aux points de l'ossature où les diagonales de contreventement sont

disposées.

L'arrangement structural des bâtiments multi-étagés est souvent dicté par la forme en

plan de l’ouvrage qui résulte de différentes solutions (figure 2). Le plan peut être

rectangulaire (figure 2a), en forme de L (figure 2b), courbe (figure 2c), polygonal

(figure 2d) ou composé d'éléments rectangulaires et triangulaires (figure 2e).

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3. LES POTEAUX

Les poteaux sont des éléments structuraux qui transmettent les charges verticales des

planchers aux fondations. Les moyens de transmettre ces charges verticales sont liés au

système structural particulier utilisé pour la conception de l'ossature (figure 4).

La position des poteaux dans le plan est dictée par la composition structurale. La plupart

des grilles courantes de distribution sont carrées, rectangulaires ou parfois triangulaires,

selon le choix du système structural global retenu (figure 3). L'espace entre les poteaux

dépend de la résistance des poutres et de l'ossature de plancher. Celui-ci peut varier de

3 à 20 m et, dans les cas courants, il varie de 6 à 10 m.

La transmission des charges des planchers aux poteaux peut se produire directement à

partir des poutres de plancher assemblées aux poteaux (figure 4a) ou de manière

indirecte. La transmission des charges indirectes implique l'usage d'une poutre

principale « de transfert » (figure 4b) qui résiste à toutes les charges transmises par les

poteaux situés au-dessus.

Dans les systèmes suspendus (figure 4c), la transmission des charges verticales est

beaucoup plus compliquée. Elle est directement assurée par des barres en traction

(suspentes), suspendues aux éléments de poutres situés au sommet de la construction et

qui supportent la charge verticale totale de tous les planchers. Un nombre limité de

poteaux transmet la charge totale aux fondations.

Le choix de la position et de l'espacement des poteaux dépend du système structural qui

doit satisfaire aux exigences fonctionnelles et économiques.

Les formes des sections droites des poteaux les plus communément utilisées peuvent se

subdiviser (figure 5) :

en sections ouvertes

en sections creuses

Les sections ouvertes sont principalement des profilés laminés standards en I ou en H

(figure 5a). Les sections en double T peuvent être reconstituées par soudage. Les

sections en forme de croix peuvent être obtenues par soudage de profilés en cornières,

de plats ou de profilés en double T (figure 5b).

Les profils creux peuvent être de section circulaire, carrée ou rectangulaire (figure 5c).

Ils peuvent aussi être constitués à partir de plats ou de profilés en double T (figure 5d).

Les sections creuses carrées et circulaires ont l'avantage d'avoir la même résistance dans

les deux directions principales, ce qui permet d'obtenir la section de dimension

minimale. Quelquefois les sections creuses peuvent être remplies de béton, ce qui donne

à la fois un accroissement de résistance et une amélioration significative de la résistance

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au feu (> 60 mn) (figure 5e). Cependant les assemblages poutre-poteau sont plus

compliqués que dans le cas d'assemblages de sections en I.

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4. LES POUTRES

Les poutres supportent les éléments de plancher et transmettent les charges verticales

aux poteaux.

Dans une ossature d'ouvrage rectangulaire type, les poutres comprennent les barres

horizontales qui franchissent l'espace entre deux poteaux adjacents ; les poutres

secondaires sont également utilisées pour transmettre la charge de plancher aux poutres

principales (poutres primaires).

Dans les structures multi-étagées, les formes de section les plus courantes pour les

poutres sont les profils laminés en I (figure 6a) ou en H (figure 6c) avec des hauteurs de

poutres allant de 80 à 600 mm. Dans quelques cas on utilise des U, simples ou doubles

(figure 6b).

Quand une plus grande profondeur est nécessaire, des sections reconstituées peuvent

être utilisées. Ces sections sont fabriquées par soudage et sont généralement de forme

doublement symétrique (figure 6d) ou non symétrique (figure 6e), la dernière étant plus

avantageuse pour les sections mixtes acier-béton. Par combinaison de plats et/ou de

profilés, on peut fabriquer soit des sections en caisson (figure 6f), soit des sections

ouvertes (figure 6g).

Quelquefois on pratique des ouvertures dans les âmes des poutres de façon à permettre

le passage horizontal des fluides et réseaux divers (eau ou gaz), les câbles (pour

l'électricité et le téléphone), les conduits (pour l'air conditionné), etc. Les ouvertures

peuvent être circulaires (figure 6h) ou carrées avec les raidisseurs nécessaires dans

l'âme. Une autre solution à ce problème est donnée par l'utilisation de poutres

alvéolaires (figure 6i) qui peuvent être obtenues par soudage de deux parties d'un profilé

en double T dont l'âme a été auparavant oxycoupée le long d'une ligne trapézoïdale.

Pour les ouvrages, le domaine commun du rapport portée/hauteur des poutres est de

15 à 30 de façon à réaliser le dimensionnement le plus efficace.

En plus de la résistance, les poutres doivent avoir des rigidités suffisantes pour éviter de

grandes déformations qui peuvent être incompatibles avec les éléments non structuraux

(tels que les murs de partition). A cet effet, la flèche maximum à mi-portée d'une poutre

est usuellement limitée à une fraction de la portée égale au 1/400 - 1/500. Dans le cas où

cette limitation est trop sévère, une déformation initiale appropriée (une contre-flèche)

égale et opposée à celle due aux charges permanentes peut être donnée à la poutre.

Les sections d'acier peuvent être partiellement enrobées de béton par remplissage de

l'espace compris entre les semelles et l'âme de la section. Les sections partiellement

enrobées sont résistantes au feu sans protection conventionnelle particulière (figure 5e).

Pour des durées plus importantes de résistance au feu, des armatures complémentaires

de résistance au feu sont exigées.

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5. LES STRUCTURES DE PLANCHERS

Les planchers doivent résister aux charges verticales s'appliquant directement sur eux.

Ils sont usuellement constitués de dalles supportées par des poutres secondaires.

L'espace entre les poutres support doit être compatible avec la résistance de la dalle de

plancher. Les dalles de plancher peuvent être faites soit de prédalles, soit de dalles

coulées en place ou de dalles mixtes utilisant un bac acier. Nombre d'options sont

disponibles :

dalle coulée en place sur coffrage temporaire (figure 7a),

prédalles minces (de 40 à 50 mm d'épaisseur )avec coulage sur le site d'un béton

de structure formant la partie résistante de la dalle (figure 7b),

des éléments en béton préfabriqué plus épais qui n'exigent aucun coulage

additionnel de béton (figure 7c),

bac acier agissant en tant que coffrage perdu (figure 8b),

bac acier avec des bossages ou des indentations adaptés qui permettent à celui-ci

d'agir de manière mixte avec la dalle de béton (figure 8c).

Les portées types pour les dalles en béton sont généralement de 4 à 7 m, évitant ainsi la

nécessité de poutres secondaires. Pour les dalles mixtes, différentes formes de sections

droites du bac acier sont disponibles (figure 8a). Elles sont classées en trois catégories

selon leur résistance :

les profils à section trapézoïdale sans raidisseur avec des profondeurs d'onde

allant jusqu'à 80 mm (figure 8c),

les profilés à section trapézoïdale avec des raidisseurs longitudinaux à la fois dans

l'âme et dans les semelles avec des profondeurs d'onde allant jusqu'à 100 mm

(figure 8d),

les profilés avec des raidisseurs longitudinaux et transversaux ayant des

profondeurs d'onde allant jusqu'à 220 mm (figure 8c).

Le domaine des dalles mixtes, en longueur, va de 2 à 4 m pour ce qui concerne la

première catégorie, de 3 à 5 m pour la seconde et de 5 à 7 m pour la troisième. Les

poutres de plancher secondaires peuvent être évitées dans le dernier cas.

Les portées admissibles pour le bac acier sont conditionnées par les conditions de mise

en œuvre et, en particulier, lorsque des étais provisoires sont utilisés. Le mieux est

d'éviter de tels étais provisoires puisque le principal avantage de l'utilisation des bacs

acier, c'est-à-dire la rapidité de mise en œuvre, est fortement diminuée.

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Pour accroître la résistance et la rigidité des poutres de plancher, un système mixte

acier-béton peut être obtenu au moyen de soudage de goujons sur la semelle supérieure

de la poutre (figure 8f). Dans ce cas, la dalle et la poutre doivent être calculées de

manière mixte selon la théorie classique.

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6. CONTREVENTEMENTS

Les systèmes de contreventement sont utilisés pour résister aux forces horizontales

(charges de vent, actions sismiques) et pour transmettre celles-ci aux fondations.

Lorsqu'une charge horizontale F (figure 9a) est concentrée en n'importe quel point de la

façade de l'ouvrage, elle est transmise aux deux planchers adjacents au moyen des

éléments de bardage (figure 9b).

Les effets des charges horizontales H agissant sur la dalle horizontale de plancher sont

distribués aux éléments support verticaux qui sont situés dans des positions stratégiques

de l'ossature (lignes en pointillés de la figure 8c) au moyen d'éléments résistants

appropriés horizontaux dans le plancher.

Les éléments de support verticaux sont appelés les contreventements verticaux ; les

éléments résistants horizontaux sont les contreventements horizontaux qui sont situés

dans chaque plancher.

Lorsque des contreventements horizontaux sont nécessaires, ils sont choisis en forme de

barres diagonales distribuées dans le plan de chaque plancher, comme ceci est montré à

la figure 9c.

Si des bacs acier sont utilisés, les contreventements peuvent être remplacés par l'action

de diaphragmes lorsque ces bacs sont fixés de manière adéquate sur les poutres.

Les contreventements verticaux et horizontaux représentent, ensembles, le système de

contreventement global qui assure le transfert de toutes les forces horizontales aux

fondations.

Les contreventements verticaux sont caractérisés par différents arrangements des barres

diagonales dans l'ossature acier. Ils s'identifient comme suit (figure 10) :

a. diagonale simple,

b. contreventement en croix (croix de Saint-André),

c. contreventement en forme de V inversé,

d. portique asymétrique,

e. portique symétrique,

f. contreventement en forme de V.

Une alternative aux contreventements en acier est fournie par les murs en béton armé

(voiles) ou les noyaux en béton qui sont dimensionnés de façon à résister aux forces

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horizontales (figure 11). Dans ces systèmes, appelés les systèmes duo, le squelette acier

de l'ossature est soumis aux forces verticales seulement. Les noyaux en béton armé sont

habituellement positionnés autour des cages d'escaliers et d'ascenseurs.

Normalement, la dalle de plancher peut être dimensionnée pour résister aux forces dans

le plan afin d'éviter l'utilisation de diagonales horizontales. Ceci est le cas pour les

dalles en béton armé coulées en place ou pour les dalles mixtes avec des connecteurs

appropriés.

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7. LES SYSTEMES STRUCTURAUX

Pour résister aux effets combinés des charges horizontales et verticales dans les

structures multi-étagées, deux nouveaux concepts sont possibles.

Le premier, appelé « le système de cadres résistants aux moments », est une

combinaisons de barres horizontales (poutres) et verticales (poteaux) qui sont capables

de résister aux actions horizontales, soit de cisaillement, soit de flexion. Dans ce

système, aucun élément de contreventement n'est nécessaire. Le comportement des

cadres résistant aux moments est obtenu seulement si les assemblages poutre-poteau

sont rigides, ceci donnant lieu à une structure à cadres avec un degré d'hyperstaticité

élevé. Comme conséquence à ce choix :

les assemblages ou joints entre les barres sont compliqués,

l'interaction entre charges axiales et moments fléchissants est critique dans le

dimensionnement des poteaux,

la déformation globale latérale de la structure peut être trop importante, car ne

dépendant seulement que de l'inertie des poteaux.

Des détails types des nœuds poutre-poteau des systèmes à cadre rigide sont montrés à la

figure 12. Ils sont appelés « nœuds rigides » et leur tâche est de transférer le moment de

flexion de la poutre au poteau. Le type (a) peut transférer des moments de flexion

limités du fait que l'âme du poteau peut voiler en raison des effets de concentration

locale d'efforts. La présence des raidisseurs horizontaux dans l'âme d'un poteau (type b)

recompose la section droite de la poutre et le panneau d'âme du poteau doit résister

seulement à l'effort tranchant.

Les types (a) et (b) exigent l'opération de soudage sur le site. De telles opérations ne

sont pas complètement fiables, elles sont généralement chères et peuvent créer des

retards lors du montage.

Une meilleure solution consiste en l'utilisation des assemblages boulonnés qui

permettent de réaliser des joints rigides sans le désavantage de la mise en œuvre de

soudures sur le chantier. Deux solutions type pour les structures à cadre rigide sont

montrées aux figure 12c et 12d :

le type (c) est un assemblage par platine d'extrémité avec boulons extérieurs,

le type (d) est un assemblage par couvre-joint.

Ces solutions permettent l'utilisation la plus adaptée des méthodes d'assemblage, c'est-à-

dire le soudage en atelier pour reconstituer les éléments préfabriqués et le boulonnage

sur le chantier pour la liaison des éléments entre eux. Ce type de joint peut donc être

appelé « soudage en atelier, boulonnage sur le site ».

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Pour éviter les problèmes pratiques des constructions à cadres rigides, une solution plus

avantageuse peut être obtenue en concevant le comportement structural d'une façon

différente. Les fonctions de résistance aux charges horizontales et verticales sont

séparées en différentes « familles » de barres qui sont groupées en deux sous-structures

(figure 13) :

a. un simple portique composé de poutres articulées ensembles, capable

de transférer les charges verticales aux fondations (figure 13a),

b. une structure cantilever fixée au sol qui résiste aux forces horizontales

et transfère leurs effets aux fondations (figure 13b).

La sous-structure a est hyperstatique ; les poutres sont fléchies dans le plan vertical, les

poteaux sont simplement comprimés, les nœuds articulés entre poutres et poteaux

résistent seulement aux forces horizontales de cisaillement.

La sous-structure b est isostatique : sa fonction de contreventement peut être obtenue au

moyen de poutres treillis en acier ou par des murs en béton armé. Ces structures de

contreventement sont principalement sollicitées en cisaillement et flexion et leur

déformabilité doit être vérifiée sous les conditions de service de façon à limiter le

déplacement horizontal.

La combinaison des deux sous-structures a et b fournit la structure complète

(figure 13c) qui est capable de résister à la fois aux charges verticales et horizontales.

Les principaux avantages de cette solution, appelée « les systèmes contreventés », sont :

des détails de construction des nœuds très simples, car ils agissent comme des

articulations,

la déformabilité horizontale de la structure est limitée par le système de

contreventement (sous-structure b),

l'interaction entre les forces normales et les moments de flexion dans le poteau est

négligeable.

A contrario, quelques complications surgissent dans la conception des fondations de

contreventement qui doivent résister aux forces horizontales locales avec un très faible

pourcentage de compression axiale. Des valeurs importantes d'excentricité se produisent

qui requièrent des dimensions importantes de surfaces de contact sous la fondation.

Dans ces systèmes structuraux, les nœuds poutre-poteau doivent résister seulement aux

forces normales et de cisaillement. Quelques solutions types des nœuds de structures

articulées sont montrées à la figure 14 ; elles se rapportent à des nœuds « soudés en

atelier et boulonnés sur chantier ». La solution la plus communément utilisée est

l'assemblage boulonné entre l'âme de la poutre et la semelle (ou l'âme) du poteau au

moyen de deux cornières (figures 14e et f). Elles sont plus économiques que les

solutions entièrement soudées (figures 12a et b) pour les structures à nœuds rigides et

permettent un montage simple.

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8. EXIGENCES DE CALCUL

Le calcul d'un système structural pour un ouvrage multi-étagé doit prendre en

considération son comportement spatial.

Pour le système contreventé qui semble être le plus efficace du point de vue de

l'économie et de la fiabilité, il est nécessaire de positionner des contreventements en

nombre suffisant pour permettre de résister à toutes les charges horizontales quelle que

soit leur direction. A cette fin, les exigences sont :

(1) il doit être possible de considérer tout système de plancher comme une

structure plane, dont le déplacement horizontal est contrarié par les

contreventements verticaux,

(2) les contreventements, agissant pour le système de plancher comme des

degrés de liberté bloqués, doivent fournir au système au moins trois

degrés de liberté bloqués,

(3) le système de plancher doit être capable de résister aux forces internes

dues à l'application des charges horizontales.

Pour satisfaire l'exigence (1), des diagonales de contreventement doivent être introduites

dans le plan du plancher, transformant le système de plancher lui-même en un treillis

horizontal.

Comme alternative, la dalle en éléments préfabriqués en béton du système de plancher

peut être supposée comme devant résister directement aux forces horizontales comme

dans le cas d'une structure plane, car sa déformabilité est normalement négligeable.

Quand des dalles en béton sont utilisées, le montage de l'ossature acier exige un soin

particulier, car la structure est instable jusqu'à ce que les éléments de plancher soient

mis en place. Les contreventements provisoires sont donc nécessaires durant cette phase

de montage.

Pour satisfaire à l'exigence (2), les contreventements de poutres en treillis sont actifs

seulement dans leur propre plan et représentent donc un simple degré de liberté bloqué

pour le système plancher. Lorsque des contreventements en béton armé sont utilisés, ils

peuvent avoir un, deux ou trois degrés de liberté, dépendants de leur résistance

respectivement à un plan de flexion (mur), à la flexion biaxiale ou à la flexion biaxiale

et torsion (noyau).

Enfin, l'exigence (3) est satisfaite en évaluant les forces internes dues aux charges

horizontales dans les éléments de plancher et en considérant la position des

contreventements verticaux.

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La figure 15 montre une structure tridimensionnelle d'une structure multi-étagée avec

des contreventements en acier. Chaque point du système de plancher est fixé dans deux

directions. En particulier, les diagonales liant les points A et B empêchent le

déplacement de tous les points situés sur la ligne « 1 » dans la direction « x ». Le

contreventement de plancher est capable de recevoir des forces externes dans deux

directions « x » et « y » et de les transmettre aux contreventements verticaux.

La structure spatiale peut être réduite à deux sous-structures planes dont les schémas

statiques sont montrés à la figure 16. La façade longitudinale le long de la rangée « 3 »

est directement stabilisée dans son plan comme, du reste, les façades latérales, par les

contreventements transversaux situés dans les files « a » et « b ».

Les nœuds articulés des portiques intermédiaires transversaux et des portiques

longitudinaux entre les files « 1 » et « 2 » sont empêchés de tout déplacement horizontal

car ils sont liés aux contreventements verticaux au moyen de contreventements de

plancher. Ainsi, ils peuvent être considérés comme des structures non déformables

latéralement.

La figure 17 représente le schéma structural spatial d'unes structure multi-étagée avec

un noyau de contreventement en béton armé. Il peut être considéré comme une solution

alternative à l'exemple précédent du même ouvrage, dans lequel le noyau en béton se

substitue aux contreventements en acier horizontaux et verticaux.

Deus systèmes de contreventement de plancher peuvent être considérés :

Si les quatre murs de la cage d'escalier sont structurellement efficaces, la solution

de la figure 17a est correcte.

Si seulement trois côtés de la cage d'escalier sont structurellement efficaces, la

transmission des forces horizontales agissant dans la direction longitudinale aux

murs longitudinaux exige l'utilisation de diagonales additionnelles de plancher,

comme montré à la figure 17b.

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9. CONCLUSION

Les ossatures des structures multi-étagées consistent en un arrangement approprié

de dalles, de poutres, de poteaux, de fondations et de contreventements.

Il existe une grande variété des formes que chacun de ces éléments peut prendre

pour satisfaire différentes exigences de détail.

Les dispositions structurales sont influencées par la forme en plan de l'ouvrage ; la

répartition des poteaux doit prendre en considération des exigences d'ordre

économique et fonctionnel.

Les ossatures peuvent être des ossatures à cadre résistant aux moments (avec des

assemblages poutre-poteau rigides) ou plus communément des ossatures avec des

assemblages simples « articulés » poutre-poteau, la stabilité latérale étant fournie

par un système de contreventement indépendant.

Le contreventement est exigé dans les trois plans orthogonaux - typiquement des

plans sont les deux plans verticaux perpendiculaires et le plan horizontal

correspondant au plancher. Le contreventement horizontal est obtenu soit par la

dalle de plancher elle-même soit par des contreventements diagonaux.

Le contreventement dans le plan vertical est plus communément réalisé par des

contreventements en croix ou par des voiles pour des ouvrages de hauteur plus

modeste.

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10. LECTURES COMPLEMENTAIRES

1. Hart, F., Henn, W. and Sontay, H., Multi-storey Buildings in Steel, Crosby

Lockwood Staples, London, 1985.

2. Owens, G. W., Steel Designers' Manual, Blackwell Scientific Publications,

Oxford, 1992.