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NUVIA TRAVAUX SPECIAUX

92 cours Vitton

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NOTE D’ETUDE

ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE

Etat de l’art de la Construction Mixte Acier-Béton

En vue de l’étude d’une enceinte externe d’un bâtiment réacteur en structure mixte

A 25/02/2011 BPO 1ère Edition LBA

L. BADOUX

MCN

M. CONNESSON

SDI

S. DIAZ

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NOTE D’ETUDE

Etat de l’art des codes et normes de dimensionnement de l’enceinte de confinement de l’AP1000

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

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SOMMAIRE

1. PREAMBULE .......................................... ..............................................................................................................3 2. OBJET.............................................. .....................................................................................................................3 3. SOURCES DE RÉFÉRENCE................................................................................................................................3 4. GLOSSAIRE.......................................... ................................................................................................................4 5. CONSTRUCTION MIXTE ACIER-BETON ..................... ......................................................................................6

5.1. NORMES ET CODES DE DIMENSIONNEMENT ........................................................................................................6 5.1.1. EUROCODE 4 : EC4 Calcul des structures mixtes acier-béton .............................................................6

5.2. GENERALITES...................................................................................................................................................8 5.2.1. Concept de structure mixte acier-béton ..................................................................................................8 5.2.2. Enjeux de la construction mixte ..............................................................................................................8

5.3. CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX...............................................................................................................12 5.3.1. Béton.....................................................................................................................................................12 5.3.2. Aciers d’armatures ................................................................................................................................12 5.3.3. Aciers de construction...........................................................................................................................14

5.4. CONNEXION ACIER-BETON...............................................................................................................................16 5.4.1. Rôle des connecteurs ...........................................................................................................................16 5.4.2. Dimensionnement des connecteurs......................................................................................................16

5.5. ELEMENTS MIXTES EXISTANTS ET COURANTS ...................................................................................................18 5.5.1. Poutre mixte ..........................................................................................................................................18 5.5.2. Poteau mixte .........................................................................................................................................18 5.5.3. Dalle mixte ............................................................................................................................................20 5.5.4. Assemblage mixte Poutre-Poteau.........................................................................................................20

5.6. METHODOLOGIE DE DIMENSIONNEMENT ...........................................................................................................22 5.6.1. Généralités ............................................................................................................................................22 5.6.2. ELU – Etats Limites Ultimes..................................................................................................................22 5.6.3. ELS – Etats Limites de Service.............................................................................................................22

5.7. POTEAUX MIXTES............................................................................................................................................24 5.7.1. Définition ...............................................................................................................................................24 5.7.2. Méthodologie de dimensionnement ......................................................................................................25 5.7.3. Voilement local des éléments structuraux en acier...............................................................................28 5.7.4. Cisaillement entre les composants acier et béton (assemblage poteau-poutre) = transfert d’efforts entre l’acier et le béton ........................................................................................................................................28 5.7.5. Poteaux mixtes soumis à compression axiale ......................................................................................29 5.7.6. Poteaux mixtes soumis à compression axiale ......................................................................................29

5.8. POUTRES MIXTES ...........................................................................................................................................31 5.8.1. Importance de la liaison acier-béton .....................................................................................................31 5.8.2. Vérifications appliquées aux poutres ....................................................................................................31 5.8.3. Largeur efficace de dalle.......................................................................................................................33 5.8.4. Situations à considérer : deux cas distincts ..........................................................................................33 5.8.5. Dimensionnement dune poutre mixte ...................................................................................................34

5.9. AUTRES ASPECTS ...........................................................................................................................................42 5.9.1. Principe de mise en œuvre _ Exécution ...............................................................................................42 5.9.2. Tolérance en cours de construction et contrôle de la qualité................................................................42


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1. PREAMBULE

Cette note d’étude établit l’état de l’art général de la construction mixte acier-béton. Son but premier est de recenser le maximum d’information à ce sujet afin de pouvoir par la suite étudier une nouvelle application des structures mixtes. En effet, l’application concerne la structure d’une enceinte externe de bâtiment réacteur nucléaire.

2. OBJET

Le déroulement de la note d’étude s’effectue de la sorte : en tout premier lieu, la note d’étude s’attachera à citer les normes et codes de dimensionnement pour la construction mixte acier-béton, puis elle évoquera quelques généralités telles que el concept de structure mixte, le principe de mise en œuvre ainsi que les enjeux. En troisième lieu, les caractéristiques des matériaux seront exposées. Ensuite, la note d’étude décrira la connexion acier-béton. Enfin, la plupart des éléments structurels usant de ce type de construction seront présentés en dernière partie.

3. SOURCES DE RÉFÉRENCE

Les sources consultées pour la rédaction de la présente note sont :

[1] Techniques de l’Ingénieur

[2] TGC 10 et 11

[3] Concevoir et construire en acier

[4] HIVOSS plancher

[5] Westinghouse AP1000 Advanced Passive Plant

[6] DCD

[7] ETC

[8] Voir biblio générale

Conception et calcul des assemblages mixtes de bâti ments [collection du CTICM] Thèse de Mohamed BENCHEIKH _ Année 1989 Connexion acier-béton : comportement au cisaillement et à l’arrachement des ancrages dans le béton à différentes températures de 20 à 550°C Livre construction métallique et mixte acier-béton N°1 : Calcul et dimensionnement EC3 et EC4 N°2 : Conception et mise en œuvre Cours de construction INSA Lyon Guide méthodologique du Sétra, Ponts-routes en cons truction mixte Acier-Béton.


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4. GLOSSAIRE

Insérer le tableau excel Liste des abréviations

Source :


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Voici les normes et codes de dimensionnement relatifs à la construction mixte.

Source :

Figure 1

Source : EC4

Figure 2 Schéma heuristique des documents à utiliser avec l’EC 4

EC4

EC2

EC0

EC1

Base de calcul des structures

Actions sur les structures

Calcul des structures en béton

EC3 Calcul des structures en acier

Calcul géotechnique

EC8 Calcul des structures pour leur

résistance aux séismes

EC7

lien avec les autres Eurocodes

BS 5950 part3

EC4

SIA 264

Norme européenne

Norme suisse

Norme britannique

Norme américaine ACI

AISC


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5. CONSTRUCTION MIXTE ACIER-BETON

5.1. NORMES ET CODES DE DIMENSIONNEMENT

5.1.1. EUROCODE 4 : EC4 Calcul des structures mixte s acier-béton

EN 1994 : « Eurocode 4. Conception et dimensionnement des structures mixtes acier-béton » Il est subdivisé en trois parties : Partie 1-1 : Règles générales et règles pour les bâtiments Partie 1-2 : Calcul du comportement au feu Partie 2 : Ponts [partie additionnelle aux règles générales] Cet Eurocode 4 est structuré de la même manière que les autres. Section 1, 2 et 3 : Généralités, Bases de calcul et Matériaux Section 4 : Durabilité Section 5 : Analyse structurale (modélisation,stabilité, imperfections, effets des actions, classification des sections) Section 6 : ELU (poutres , connexion, poteaux , fatigue) Section 7 : ELS (Généralités, contraintes, déformations dans les bâtiments, fissuration du béton) Section 8 : Assemblage mixtes dans les ossatures de bâtiment Section 9 : Dalles mixtes (avec plaques nervurées en acier dans les bâtiments) Objectif : satisfaire aux exigences de sécurité, d’utilisation et de durabilité d’une structure EC4 vérifie les états limites, méthode utilisant les paramètres suivants : - valeurs de calcul des actions - propriétés des matériaux - coefficients de sécurité appropriés Etats limites ultimes = effondrement de la structure, autres formes de ruine structurale (mettant en danger la sécurité des personnes) Etats limites de service = états ne satisfaisant plus les critères d’exploitation normale CARACTERE Nucléaire : seulement les états limites de service (en France, pour l’étranger ??) Fissuration non admise sur le Bâtiment réacteur (étanchéité de l’air) mais cette particularité de l’EPR n’apparaît pas pour l’AP1000 (étant donné du PCS : disposant de prises d’air sur le Shield Building….) EC1 Définition des actions : - permanentes - variables - accidentelles EC0 Combinaisons des différentes actions aux divers états limites Etats limites de service : Contrôler : - déformations (flèches) - fissuration - vibrations - glissement au niveau des interfaces acier-béton (attention : aux effets de glissement négligés dans certains cas) - résistance à la corrosion


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Source :

Figure 3 Schéma heuristique simple de la constructio n mixte

Source : Cours insa Lyon

Figure 4 Différence entre poutre mixte et poutre no n-mixte

Construction mixte

Connecteurs

Béton

Acier

Résistance à la Compression

Résistance à la Traction

Résistance au Cisaillement


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5.2. GENERALITES

5.2.1. Concept de structure mixte acier-béton

Dans le domaine de la construction, un élément structural est dit mixte acier-béton si les deux matériaux aux natures et propriétés différentes sont associés de manière à tirer le meilleur parti de l’association. D’autres associations existent par exemple celle du bois-béton. Le concept de structure mixte acier-béton suit le même que celui du béton armé, sauf qu’en construction mixte la solidarisation des deux matériaux ne repose principalement pas sur le principe d’adhérence (cas du béton armé), mais sur des organes de liaison nommés connecteurs . La connexion placée au niveau de l’interface de l’acier et du béton permet d’augmenter la rigidité et la résistance de l’élément mixte. Autrement dit, une section mixte est celle d’un élément porteur composé de deux ou plusieurs matériaux liés entre eux et résistants ensemble aux efforts qui les sollicitent. Application : ponts, bâtiments, et désormais au sein du domaine nucléaire avec l’enceinte externe du réacteur Inventaire à ce jour des éléments de construction mixte dans le domaine du bâtiment :

� dalle mixte � poutre mixte � poteau mixte

Un exemple de poutre mixte = profilé laminé en I ou poutre treillis + connecteurs (goujons soudés ou équerres clouées) + béton armé Une structure est considérée comme mixte acier-béton , si la structure métallique de support et le béton collaborent pour résister ensemble aux efforts. Le concept repose sur l’optimisation du béton et de l’acier. Assurer une bonne connexion entre les deux matériaux, c’est assurer l’adhérence entre les deux éléments.

5.2.2. Enjeux de la construction mixte

5.2.2.2. Atouts généraux de la construction mixte

La construction mixte acier-béton est : - compétitive en terme de coût global. Ceci est d’autant plus vrai pour des bâtiments à étages multiples et dont leurs portées entre colonnes sont grandes (plus de 12m) - rapide et simple (étayage n’est pas indispensable)

5.2.2.3. Avantages mécaniques, économiques et architecturaux

par rapport à la construction en béton armé ou précontraint - une réduction du poids de la structure à chargement identique - une augmentation de la rigidité en flexion du plancher ou de la poutre - une réduction de l’épaisseur des planchers (réduction de la hauteur totale du bâtiment à un même nombre d’étage) - impératifs de construction tenus : rapidité, très peu d’échafaudages en service, très peu de coffrages-bois utilisés, beaucoup plus d’éléments préfabriqués, …

par rapport à la construction métallique - une amélioration appréciable de la résistance au feu - les poutres mixtes ont des portées de 8 à 15m - monolithisme et rigidité dans son plan d’une dalle de plancher mixte : permet le transfert des efforts horizontaux (dus aux séismes par exemple) vers les éléments assurant la stabilité verticale du bâtiment

Principaux inconvénients : - une organisation de chantier très difficile : aires de stockage, d’assemblage et de livraison, gestion et contrôle des éléments préfabriqués, manutention plus évoluée, partage des grues - plus grande complexité d’assemblage et de construction : une main d’œuvre qualifiée - fixation des connecteurs réclame beaucoup de temps, difficile si soudure (expérience des ouvriers, très bonne qualité à assurer, …). L’opération de soudage peut être facilitée, si prédisposition prise en usine ou si tôle profilée.


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Source : Plancher HIVOSS

Figure 5 Représentation graphique du principe du mo ment résistant en fonction de la flèche

Source : Plancher HIVOSS

Tableau 1 Comparaison des structures mixtes et non- mixtes


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Le tableau suivant et les figures ci-contre établissent une comparaison entre poutre mixte et non-mixte mettant alors en évidence les atouts de la construction mixte.

Tableau 2 Comparaison globale structure mixte et no n mixte

Structure non -mixte Structure mixte

Chaque élément fléchit de façon indépendante, il y a glissement entre les deux matériaux :

• le béton travaille de manière indépendante • la poutre acier peut être soumise à des phénomènes d’instabilité (tels que flambement)

Par liaison des deux matériaux les glissements sont fortement diminués ou annulés :

• le béton est sollicité essentiellement en compression • la poutre acier est tendue, évitant les risques d’instabilité

=> les deux matériaux travaillent dans leur domaine optimal

Le tableau ci-dessus met en évidence les comparaisons suivantes :

structure mixte et structure non mixte structure mixte selon différentes qualités d’acier (S235, S 355 et S460) structure mixte selon différentes poutres acier (HE 550A, IPE 550 et IPE 500) structure mixte selon différentes poutres acier (HE 550A, IPE 550 et IPE 500)

Comparaison Mixte Non mixte

Source : Structures mixtes acier-béton - 01.3

Comparaison Mixte Béton armé


Figure 6 Comparaisons de structures mixtes et non-m ixtes


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Source : EC4 Conception et dimensionnement des structures mixtes acier-béton

Tableau 3 Caractéristiques de résistance et de défo rmation du béton

Désignation Symbole Unité Valeur

Masse volumique ρ kg/m3 2400 Module d’élasticité longitudinale Es MPa 210000 Coefficient d’équivalence acier-béton « court terme » α « long terme » α’ « court et long terme » α’’ Retrait m/m/°C 200.10 -6 Coefficient de poisson ν


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5.3. CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX

Ce paragraphe traite des caractéristiques mécaniques des divers matériaux qu’il convient d’utiliser pour la construction mixte. Les facteurs partiels de sécurité seront également cités.

5.3.1. Béton

Généralités

Classes de résistance des bétons (masse volumique normale) fck : résistance caractéristique à la compression sur cylindre mesurée à 28 jours. fctm : résistance caractéristique à la traction sur cylindre mesurée à 28 jours. Ectm : module sécant d’élasticité [à prendre en compte pour les actions ayant des effets à court terme] Notion de coefficient d’équivalence acier-béton => détermination des caractéristiques de sections de poutres mixtes homogénéisées par rapport au béton (aire de section homogénéisée, moment d’inertie géométrique homogénéisé, …)

s

cm

E

E=α

avec Es : module d’élasticité longitudinale de l’acier de construction MPaEs 210000=

avec : 8+= ckcm ff

3,0

1022000

⋅= cmcm

fE

Retrait du béton Déformabilité du béton – Théorie élastique

Module sécant d’élasticité pour un chargement à court terme

5.3.2. Aciers d’armatures

Généralités Mode de fabrication Masse volumique considérée Types d’acier

Nuances d’acier _ classe de ductilité (rescensement de 3 classes annexe C de l’EC2) ftk résistance ultime caractéristique en traction εuk allongement unitaire (correspondant à l’atteinte de cette résistance) FeE400 et FeE500 (limite d’élasticité de 400 et 500 N/mm²) Module d’élasticité longitudinale Es varie entre 190 et 200 kN/mm², mais pour simplifier, il est préférable de le prendre égal à Ea=210 kN/mm² Limites d’élasticité : diagramme contrainte-déformation Dilatation thermique Limite d’élasticité fyk (en valeur caractéristique pour le quantile 5%)


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Source :

Figure 7

Construction mixte

Connecteurs Béton Acier

Résistance à la Compression Résistance à la Traction Résistance au Cisaillement

Retrait thermique

Instabilités de forme en cas

de compression de l’élément

Voilement pour une plaque

Flambement pour un profilé

Fluage

Déformations différées Risque de séparation

des 2 matériaux


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5.3.3. Aciers de construction

Généralités Mode de fabrication : acier laminés à chaud Masse volumique considérée

Nuances d’acier _ classe de ductilité (pour des nuances allant de S235 à S460) Limite d’élasticité fy et résistance à la traction fu (voir EC3, tab 3.1, à scanner) valeurs nominales données pour une épaisseur donnée t<=40mm, critère permettant la simplification des calculs. Module d’élasticité longitudinale Ea=210kN/mm² coefficient de Poisson =0,3 déformation ultime (correspondant à l’atteinte de fu) => 15εy sachant qu’espsilon y = fy/Ea allongement à la rupture => 15%

Acier de construction des plaques Mode de fabrication Masse volumique considérée Nuances d’acier _ classe de ductilité Limites d’élasticité Module d’élasticité Uniquement pour les dalles mixtes : caractéristiques des tôles profilées en acier voir EC3 1-3 limite d’élasticité fyp allant de 220 à 350 kN/mm² [tableau à insérer] avec une épaisseur des tôles comprise entre 0,75 et 1,5mm (+ couche de zinc protégeant de la corrosion de 0,02mm d’épaisseur, réalisation par une galvanisation à chaud, (+ laquage)) modèle de comportement élasto-plastique module d’élasticité E=Ea=210 kN/mm²

facteurs partiels de sécurité des divers matériaux !!! faire un tableau ! norme française et autres


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Source : TI

Figure 8 Différents types de connecteurs


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5.4. CONNEXION ACIER-BETON

5.4.1. Rôle des connecteurs

Les connecteurs placés à l’interface entre l’acier et le béton, permettent :

• d’éviter ou du moins de réduire le glissement pouvant apparaître entre les deux matériaux

Pour cela, ils reprennent les efforts de cisaillement longitudinal à transférer d’un matériau à l’autre. Si ces efforts sont importants, la connexion acier-béton sera :

- complète �un nombre de goujons suffisant pour reprendre tous les efforts de cisaillement sinon il est possible d’envisager une connexion - partielle �moins de goujons, les efforts de cisaillement ne sont pas repris totalement par les goujons

• de s’opposer à la séparation des deux matériaux transversalement à leur surface de contact

Les efforts à reprendre sont moins importants que ceux décrits précédemment, la forme du connecteur permet à elle seule de remplir ce rôle.

Types de connecteurs

- Goujons à tête soudés : soudage électrique grâce à un pistolet - Cornières : fabriquées par un pliage à froid, clouées à l’aide d’un pistolet à cartouches (aucune opération de soudage, mais moins résistantes que des goujons soudés). - Butées soudées : tasseaux ou cornières

5.4.2. Dimensionnement des connecteurs

L’interaction des connecteurs avec les deux matériaux dépend du comportement et de la résistance de la connexion (relation entre force sollicitant le connecteur et le glissement de l’interface). Rigidité et résistance de la connexion Un connecteur est dit souple ou ductile, s’il a la capacité de se déformer suffisamment pour justifier l’hypothèse d’un comportement plastique idéal de la connexion dans la structure considérée. Répartition des connecteurs L’effort rasant est un effort de cisaillement longitudinal que la connexion doit transférer à l’interface entre le béton et l’acier. Le nombre de connecteurs est directement proportionnel à la valeur de dimensionnement des efforts tranchants, il est déterminé par un calcul élastique. Calcul élastique des efforts rasants, il est utilisé lorsque la résistance des sections est calculée élastiquement [classe de section 3 et 4], que ces oit pour des connecteurs souples ou non. Efforts rasants dus au retrait (raccourcissement du béton au cours du temps) Le retrait crée des contraintes internes à la section, il est donc nécessaire d’évaluer le retrait libre, de procéder à la compatibilité des déformations et à l’équilibre des forces afin d’estimer ces contraintes. Calcul plastique des efforts rasants, il est utilisé lorsque la résistance des sections est calculée plastiquement [classe de section 1 et 2], et ceci essentiellement pour des connecteurs souples. Types de calcul possibles pour une section mixte :

- connexion totale, connecteurs souples - connexion partielle, connecteurs souples - connexion partielle, connecteurs non souples


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Source : Concevoir et construire en acier

Figure 9 Planchers collaborants


Figure 10 Dalle et poutre ne font plus qu’un : prof ilés noyés dans le béton


Figure 11 Enrobage partiel du profilé


Figure 12 Exemples de poteaux mixtes


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5.5. ELEMENTS MIXTES EXISTANTS ET COURANTS

5.5.1. Poutre mixte

Un des avantages des poutres mixtes consiste à minimiser la hauteur des poutres en associant l’acier et le béton. Le béton qui résiste mal aux efforts de traction n’est utilisé que dans la partie supérieure comprimée et l’acier dans la partie inférieure tendue. On distingue trois types de poutre mixte. Profilés connectés à une dalle en béton La liaison entre le profilé et la dalle en béton est assurée par des connecteurs soudés sur la semelle supérieure du profilé. La dalle béton peut être une dalle pleine ou coulée sur un bac acier collaborant. Pour augmenter la stabilité au feu, on peut avoir recours à des protections rapportées ou surdimensionner la section. Profilés laminés noyés dans l’épaisseur d’une dalle béton = Poutrelles enrobées Ce dispositif confère une très bonne résistance au feu du fait de l’enrobage presque complet de la poutrelle dont seule la semelle inférieure reste apparente. Cependant, et par nature, il entraîne une épaisseur importante de la dalle en béton afin d’y inclure la quasi-totalité de la hauteur de la poutrelle et un recouvrement de 5 cm de béton au minimum au-dessus de l’aile supérieure du profilé. Profilés bétonnés entre les ailes La réalisation et la mise en oeuvre de ce type de profilés s’identifie à celle des poteaux. Les connexions dans ce cas de figure ne sont pas indispensables. Cependant, si elles sont faites à une dalle béton ou un plancher à bacs collaborants, leur section pourra être réduite, tout en ayant une bonne capacité de résistance à l’incendie.

5.5.2. Poteau mixte

À charges égales et à résistance au feu égale, les poteaux mixtes présentent des sections réduites par rapport à un poteau en béton. Le poteau mixte est de surcroît bien adapté à la préfabrication. Il existe trois types de poteaux mixtes. Profilés enrobés de béton C’est le type le plus ancien de poteau mixte. Le béton et les armatures de béton n’y ont pas une part prépondérante dans la reprise de la charge. Cette reprise de charge est surtout assurée par le profilé qui bénéficie d’une bonne protection thermique. Profilés bétonnés entre les ailes Ce type de poteau peut être dimensionné pour des durées de stabilité allant de 30 min à 120 min. Le béton contient des armatures qui contribuent à supporter les charges. Des étriers ou des goujons sont soudés à l’âme du poteau pour assurer la solidarisation du béton armé avec le profilé d’acier. Profilés creux remplis de béton Les profils creux en acier offrent une solution intéressante et aisée pour la réalisation de poteaux mixtes. Les expériences de résistance au feu montrent qu’une armature minimale est nécessaire dans le profilé. Il est impératif de prévoir des percements pour l’évacuation de la vapeur d’eau dans les parties supérieure et inférieure des poteaux, à chaque niveau ou tous les 5 m. Cette solution préserve l’esthétique et la forme du poteau ainsi que la liberté de toutes les formes d’attache ou de liaison.


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Figure 14 Plancher collaborant avec plafond coupe-fe u


Figure 13 Dalle collaborante : bac acier en queue d ’aronde et dalle béton


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5.5.3. Dalle mixte

Les dalles mixtes sont constituées de béton et de tôles d’acier nervurées. Les tôles profilées ont un rôle d’armature et de coffrage, autorisant une mise en œuvre rapide et économique. La face inférieure des tôles nervurées ne nécessite généralement aucune protection. Les dalles mixtes ont un degré coupe-feu de 30 min sans protection particulière. Une résistance supérieure peut être obtenue aisément et à faible coût par l’ajout de barres d’acier enrobées dans les nervures. Il en sera de même pour les dalles coulées avec un bac acier utilisé en coffrage perdu. Une alternative est possible par protection projetée en sous face du bac acier ou par adjonction d’un faux plafond coupe-feu du degré requis. Cette solution est particulièrement valable économiquement pour des degrés coupe-feu de 120 min et plus. En cas d’incendie important, le bac acier retient les éclatements du béton.

5.5.4. Assemblage mixte Poutre-Poteau


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5.6. METHODOLOGIE DE DIMENSIONNEMENT

5.6.1. Généralités

Objectif : Satisfaire les exigences de sécurité, d’utilisation et de durabilité de la structure. L’Eurocode 4 s’appuie sur la méthode de vérification aux états limites (ultimes et de service) en utilisant :

- les valeurs de calcul des actions - les propriétés des matériaux (coefficients de sécurité appropriés)

Etats limites ultimes : Effondrement de la structure, autres formes de ruine structurale (pouvant mettre en danger la sécurité des personnes) Etats limites de service : Etats au-delà desquels les critères d’exploitation normale ne sont plus satisfaits.

5.6.2. ELU – Etats Limites Ultimes

Condition de vérification d’un état limite ultime selon deux niveaux de la structure : local ou global. • type a)

état limite : - de rupture, ou - de déformation excessive (d’une section transversale, d’un élément ou d’un assemblage)

Condition à vérifier : Ed<Rd Ed : valeur de calcul de l’effet des actions (moment fléchissant, effort tranchant, effort normal) Rd : résistance de calcul correspondante à la sollicitation

• type b)

état limite de formation d’un mécanisme dans la structure (rotule plastique, instabilité de forme locale ou globale) Il est alors nécessaire de vérifier que le mécanisme ne se produit pas tant que les actions ne dépassent pas leurs valeurs de calcul (tenant compte des propriétés de la structure)

5.6.3. ELS – Etats Limites de Service

Exigences des ELS : - déformations (= flèches) affectant l’aspect ou l’exploitation efficace de la construction, ou provoquant des dommages aux finitions ou éléments non structuraux - vibrations incommodant les occupants, endommageant le bâtiment, ou limitant son efficacité - fissuration du béton tendu susceptible d’altérer l’aspect, la durabilité ou l’étanchéité des éléments - glissement au niveau des interfaces acier-béton


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Poteaux partiellement enrobé de béton : Section en I ou en H dont l’espace compris entre les semelles est rempli de béton.

Poteaux totalement enrobé de béton : Pour ce cas-ci, semelles et âmes sont aussi enrobées d’une épaisseur minimale de béton

A l’intérieur des profils, le béton est confiné donc sa résistance à la compression augmente, de ce fait, celle du poteau aussi. Profils rectangulaires :

Profils circulaires :

Source : Structures mixtes acier-béton – 01.3

Figure 15 Exemples de poteaux mixtes, sections trans versales

Poteaux mixtes

en profils creux

remplis de béton

partiellement

ou totalement enrobés


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5.7. POTEAUX MIXTES

5.7.1. Définition

Un poteau mixte est composé d’un profilé essentiellement soumis à de la compression et enrobé de béton ou alors c’est un profilé creux rempli de béton. En général, les poteaux mixtes sont :

- souvent préfabriqués - essentiellement employés pour la reprise d’un effort normal important avec une section d’aire relativement

faible - largement utilisés dans le cas de bâtiments élevés et par conséquent sensibles aux actions horizontales telles

que le vent (augmenter la rigidité des poteaux et diminuer les déformations horizontales) ou les séismes (ductilité de l’acier est importante)

De plus, la présence de béton (à l’intérieur d’un profilé creux ou sur le profilé en I ou H) contribue à améliorer la résistance au feu de l’élément métallique, et la présence d’armatures longitudinales contribue à la résistance de la section du poteau mixte.

Flambement d’un poteau mixte acier-béton : L’application des théories développées pour les profilés métalliques seuls est envisageable :

- notion de coefficient d’élancement - prise en compte des imperfections d’un élément - courbes européennes de flambement comme support

L’EC4 renvoit à la partie correspondante de l’EC3.

Résistance ultime des poteaux mixtes soumis à de la compression centrée et à de la flexion composée : modes de sollicitation essentiels de ce type d’éléments.


NOTE D’ETUDE



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5.7.2. Méthodologie de dimensionnement

Deux méthodes de dimensionnement sont présentées dans l’EC4 : méthode de calcul générale et simplifiée.

Remarque : pour la majorité des cas, la méthode simplifiée est applicable. [Voir l’organigramme de dimensionnement d’un poteau mixte soumis à la compression axiale en page suivante] Conditions d’utilisation de la méthode simplifiée

1) Section transversale du poteau constante et doublement symétrique et uniforme sur toute la hauteur du poteau

Profilés en acier laminés, formés à froid ou soudés.

Elancement réduit 0,2. ≤=cr

Rkpl

N

Nλ

2) Section totalement enrobée (voir figure a) : cs AA ⋅≥ %3,0 et des conditions d’enrobage des armatures

dans le sens y : cy bcmm ⋅≤≤ 4,040

dans le sens z : cz hcmm ⋅≤≤ 3,040

3) Pour le calcul de la résistance de la section mixte, l’aire de l’armature longitudinale peut être utilisée, elle est limitée à 6% de l’aire de béton.

4) Limites du rapport de la hauteur de la section à sa largeur

0,52,0 ≤≤c

c

h

b

5) Contribution de la section d’acier à la résistance de calcul de la section complète

9,02,0.

≤

⋅

=≤Rdpl

a

ya

N

fA

γδ

Dimensionnement des poteaux mixtes

simplifiée générale

prise en compte des :

- effets du 2nd ordre

- imperfections

Particularités

Application aux

poteaux

Méthode

Méthode de calcul numérique et logiciels

utilisation des courbes de

flambement européennes des

poteaux en acier tenant compte

implicitement des imperfections

- non symétriques

- de section variable

sur la hauteur

- doublement symétriques

- de section uniforme

sur la hauteur

numérique / manuelle

- interaction totale entre l’acier et le béton

- imperfections géométriques et structurales prises en compte dans le calcul

- sections droites restent planes lors de la déformation du poteau

Hypothèses


NOTE D’ETUDE



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Figure 16 Organigramme de dimensionnement d’un pote au mixte soumis à la compression axiale, partie 1


NOTE D’ETUDE



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Figure 17 Organigramme de dimensionnement d’un pote au mixte soumis à la compression axiale, partie 2


NOTE D’ETUDE



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5.7.3. Voilement local des éléments structuraux en acier


5.7.4. Cisaillement entre les composants acier et b éton (assemblage poteau-poutre) = transfert d’efforts entre l’acier et le béton


Longueur de transfert p

Poteaux mixtes

- partiellement enrobés

- en profils creux remplis de béton totalement enrobés

Epaisseur

d’enrobage de béton Profils creux ronds : diamètre d et épaisseur t

290 ε⋅≤t

d

Profils creux rectangulaires : longueur d et

épaisseur t

ε⋅≤ 52t

d

Profils en H partiellement enrobés : semelle

largeur b et épaisseur tf

ε⋅≤ 44ft

b

avec

yf

235=ε

≥ 40mm

≥ 1/6 de la largeur du profil en acier

Poteaux mixtes

en profils creux

remplis de béton

totalement enrobés partiellement enrobés

Résistance au cisaillement

à l’interface acier-béton

τRd

≤ 0,3 MPa ≤ 0 MPa (âmes)

≤ 0,2 MPa (semelles)

≤ 0,4 MPa


NOTE D’ETUDE



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Remarque : 1. Les profils creux remplis de béton, les types circulaires, du fait du confinement du béton voient cette résistance augmenter légèrement, au lieu de 0,4 MPa, il est possible de considérer 0,55 MPa. 2. Si la résistance naturelle au cisaillement n’est pas suffisante, il est possible d’ajouter des connecteurs de type goujons.

5.7.5. Poteaux mixtes soumis à compression axiale

Résistance de la section Elancement réduit Résistance au flambement [voir en annexe 2, Note de calcul d’un poteau mixte totalement enrobé de béton soumis seulement à la compression axiale]

5.7.6. Poteaux mixtes soumis à compression axiale

Poteaux mixtes soumis à compression axiale et flexion Résistance de la section soumis au moment de flexion et effort normal Amplification du second ordre des moments de flexion Influence de l’effort tranchant Résistance d’un poteau mixte sous compression accompagnée de flexion mono-axiale Résistance d’un poteau mixte sous compression accompagnée de flexion bi-axiale


NOTE D’ETUDE



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Figure 18 Principe d’une poutre mixte acier-béton f léchie

Figure 19 Exemple de poutre mixte acier-béton, liai son goujonnée (domaine du bâtiment)

Figure 20 Sections à vérifier aux ELU

Source : TGC 10 fig5.35 p208


Source : Cours iNSA lyon p25


NOTE D’ETUDE



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5.8. POUTRES MIXTES

Poutre mixte acier-béton

Type d’élément :

élément porteur fléchi composé d’une poutre métallique faite d’une section laminée à chaud ou reconstituée par soudage, et d’une dalle en béton armé. La dalle est solidaire de la semelle du profilé grâce à des organes de connexion (goujons ou équerres) assurant l’action mixte

But :

faire participer chaque matériau de manière optimale compte tenu de leur comportement physique

Béton :

bonne résistance en compression, faible résistance à la traction (donc sa participation à la traction est dans la plupart des cas négligée)

Acier : bonne résistance aussi bien en compression qu’en traction, les éléments sont sensibles à des phénomènes d’instabilité en zone comprimée (pour un élancement élevé)

5.8.1. Importance de la liaison acier-béton

Poutre mixte acier-béton fléchie = profilé métallique + dalle en béton

- chaque élément est fléchi indépendamment => résistance du profilé métallique déterminé par un phénomène d’instabilité (déversement, voilement de l’âme ou de la semelle comprimée) => la dalle de béton est en partie tendue et donc fissurée, ainsi elle ne participe pas à la résistance à la flexion longitudinale

Sans liaison

- au niveau de l’interface acier-béton, glissement entre les deux matériaux => discontinuité dans la répartition des déformations spécifiques (voir le schéma)

- les éléments fléchissent « ensemble » => toute ou une grande partie de la dalle de béton est comprimée (dépend de la position de l’axe neutre) => la semelle supérieure du profilé métallique => la sollicitation de l’acier s’apparente presque uniquement à de la traction (dépend de la position de l’axe neutre)

Avec liaison parfaite

- au niveau de l’interface acier-béton, tout glissement est empêché (section à un comportement monolithique) => continuité dans la répartition des déformations spécifiques

5.8.2. Vérifications appliquées aux poutres

Résistance : - des sections critiques

¤ celles de moment de flexion maximal (A-A ou lieu de charges concentrées en plus des charges réparties) ¤ celles de cisaillement maximal (B-B : appuis extérieurs) ¤ celles avec effets combinés de la flexion et du cisaillement (C-C)

- de la connexion au cisaillement longitudinal ligne 1-1 - au cisaillement transversal ligne 2-2 et 3-3 - au déversement sous moment négatif position déversée du profilé - au cisaillement et au voilement sous cisaillement de l’âme sections B-B et C-C


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Figure 21 Définition de l’effort rasant et du train age de cisaillement

Figure 22 Concept de largeur participante de dalle

Effort rasant v

Phénomène de traînage de cisaillement Source : TGC 10 fig5.36 p209 a et b

Source : Cours INSA lyon p25


NOTE D’ETUDE



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5.8.3. Largeur efficace de dalle

v : effort rasant agissant à l’interface acier-béton σx(y) : contraintes normales dans la dalle dues à la diffusion de l’effort rasant v (dans le sens longitudinal de la poutre). Phénomène de traînage de cisaillement - Distribution des contraintes non uniforme - la contrainte est plus élevée au droit du profilé métallique et diminue progressivement lorsque l’on s’écarte du profilé. Concept de largeur participante

Selon l’EC4 : eff e1 e2

b b b= + avec min ;8

o

ei i

Lb b

=

Avec Lo : distance entre points d’inflexion consécutifs sur le diagramme des moments de flexion Intérêt : cette largeur participante intervient lors de la vérification de la résistance des sections transversales et de la détermination des propriétés élastiques des sections.

5.8.4. Situations à considérer : deux cas distincts

Tableau 4 Stade de construction Stade définitif

Caractéristiques - bétonnage de la dalle - béton non durci

- enlèvement des étais - béton durci

Résistance assurée par poutre métallique seule

(étayée ou non définissant alors un système statique différent de celui du stade définitif)

poutre mixte


NOTE D’ETUDE



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5.8.5. Dimensionnement dune poutre mixte

5.8.5.1. Charges et actions à considérer selon les deux situations

Tableau 5

5.8.5.2. Calcul des efforts intérieurs

Efforts intérieurs prédominants : moment fléchissant et effort tranchant associé. Calcul élastique : les caractéristiques des poutres mixtes admises constantes le long de la poutre (aussi bien pour le stade de construction que le pour le définitif) => inertie constante. Avantage : application du principe de superposition « la sollicitation due à la somme des deux charges est égale à la somme des sollicitations dues à chacune des deux charges calculées séparément ». Inconvénient : impossible de procéder à une redistribution des moments de flexion (due à la fissuration et à la plastification sur appui), ce qui pose problème pour l’étude des poutres continues (en effet, les moments maximaux sont sur appui soit là où la section résistante se réduit à la poutre métallique : ici nécessité d’un calcul plastique).

Système statique Section résistante

Charges et actions

- profilé (poids propre)

Stade de construction

- profilé - coffrage - béton frais - charge de construction

- profilé - béton durci - réactions des étais

Stade définitif

- actions permanentes - charge utile (longue et courte durée) - actions indirectes

Source : TGC 11 fig10.24 p370 et TGC 10 fig5.37p211


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Figure 23 Définition de la classification des secti ons Classification dune semelle comprimée : en annexe 2, figure 28 Classification d’une âme : en annexe 2, figure 29



NOTE D’ETUDE



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5.8.5.3. Stabilité

L’aspect stabilité de la poutre mixte fait référence à la classification des sections des éléments en acier comprimés. La classe de la section transversale d’une poutre mixte correspond à la classe la plus défavorable de ses parois comprimées en acier. Tableau 6 Définition des classes de sections

Classe Définition selon l’EC3

1 Sections transversales dans lesquelles peut se former une rotule plastique pouvant atteindre sans réduction de résistance la capacité de rotation requise pour une analyse plastique des efforts intérieurs.

2 Sections transversales dans lesquelles peut se développer leur moment résistant plastique, mais qui possèdent une capacité de rotation limitée à cause du voilement local.

3

Sections transversales pour lesquelles la contrainte calculée dans la fibre comprimée extr^me de l’élément en acier, en supposant une distribution élastique des contraintes, peut atteindre la limite d’élasticité, mais pour lesquelles le voilement local est susceptible d’empêcher le développement du moment résistant plastique.

4 Sections transversales pour lesquelles le voilement local se produit avant l’atteinte de la limite d’élasticité dans une ou plusieurs parois de la section transversale.

Figure 24 Diagramme moment-courbure : définition de s classes de section Section de classe 1 ou 2, calcul de la résistance de la section mixte (résistance au moment de flexion) => calcul plastique Section de classe 3, calcul de la résistance de la section mixte (résistance au moment de flexion) => calcul plastique en se ramenant à une âme de classe 2 Ou => calcul élastique en considérant une section brute du profilé acier

5.8.5.4. Caractéristiques d’une section mixte

� calcul de la résistance des sections mixtes de poutres • caractéristiques élastiques (voir annexe 3, figure 30) • caractéristiques plastiques (voir annexe 3, figure 31)



NOTE D’ETUDE



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Notation Désignation

MEd Valeur de calcul du moment de flexion dû aux charges à considérer au stade de construction OU au stade définitif (en valeur absolue)

Mel Moment élastique de la poutre métallique

MRd

Mel,Rd

Mpl,Rd

Valeur de calcul de la résistance à la flexion de la section mixte

pour un calcul élastique pour un calcul plastique

σEd Valeur de calcul de la contrainte due aux charges à considérer au stade définitif (calcul élastique) (en valeur absolue)

σRd Valeur limite propre du matériau (ya

a

f

γpour l’acier, ck

c

f

γ pour le béton, sk

s

f

γ pour l’acier d’armature)


NOTE D’ETUDE



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5.8.5.5. Vérifications : sécurité structurale et aptitude au service

Elles s’établissent de la manière suivante avec les charges citées précédemment selon les deux situations.

Sécurité structurale

Stade de construction Stade définitif

- Résistance de la section de poutre métallique - Effet mixte non considéré

- Résistance de la section mixte - Effet mixte considéré Toutefois, les sections des poutres métalliques doivent respecter les conditions de stabilité selon la méthode utilisée.

Calcul élastique Calcul plastique Calcul élastique Calcul plastique

OK NON OK pour les ponts (et bâtiments) OK pour les bâtiments

pour éviter la plastification de l’acier (entraînant de grandes déformations)

- Résistance ultime influencée par un éventuel étayage (incidence sur la répartition élastique des contraintes)

- Résistance ultime non influencée par l’étayage - Fluage, retrait et température négligeable (plastification des sections « efface » l’effet de ces actions)

Ed RdM M≤

el

Ed

a

MM

γ≤

Mel,Rd Mpl,Rd

Vérification des contraintes Intérêt : prise en considération des modifications de géométrie de section et des caractéristiques des matériaux en fonction du temps (module d’Young) grâce au coefficient d’équivalence n

Ed Rdσ σ≤

Aptitude au service

Vérification essentielle : contrôle de la déformation

Une déformation excessive entrave la fonction de la structure et nuit à son aspect. Solution : réalisation d’une contreflèche ou limitation des déformations sous charge de service

Calcul de la flèche

Selon l’état-limite de service à vérifier, adopter la valeur rare, fréquente ou quasi-permanente du coefficient de charge utile. Les exigences figurent dans les normes EC0 et EC4, et vis-à-vis du béton, il est nécessaire de prendre les considérations de l’EC2.


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Figure 25 Modèle de réflexion quant à la considérat ion du retrait dans une structure mixte acier-béton

Cas : sans liaison Retrait libre

Compatibilité des déformations

Cas : avec liaison acier-béton Le libre raccourcissement de la dalle en béton est alors empêché Compatibilité des déformations respectée si un effort normal de traction Ncs est appliqué sur le béton. (création d’un état de contrainte uniforme)

Equilibre des forces

Effort normal de traction Ncs (agissant sur la dalle de béton) équilibré par un effort normal de compression Ncs de même intensité agissant sur la section mixte (à la hauteur du centre de gravité zc de la dalle en béton) Effort normal de compression Ncs agissant au niveau de zc � force normale de compression Ncs agissant au niveau de l’axe de gravité zb de la section mixte + moment de flexion Mcs (=Ncs)

Allure du diagramme des contraintes correspondant à ces deux efforts intérieurs



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5.8.5.6. Autres paramètres

Analyse des effets du retrait Le retrait du béton dans une poutre mixte génère un état de contraintes autoéquilibrées : - un effort normal de traction est créé dans la dalle - un effort normal de compression et un moment de flexion positif sont créés dans la section mixte Cas de la poutre simple : elle subira les déformations associées à ces efforts intérieurs Cas de la poutre continue, encastrée ou bi-encastrée : les déformations seront alors empêchées sur les appuis, par conséquent cela crée des moments hyperstatiques. En page de gauche, la figure propose un modèle de réflexion. Calcul de la connexion • résistance ultime des goujons • calcul élastique de la connexion • calcul plastique de la connexion • résistance au cisaillement longitudinal • dispositions constructives relatives à la connexion


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NOTE D’ETUDE



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5.9. AUTRES ASPECTS

5.9.1. Principe de mise en œuvre _ Exécution

Recommandation spécifiques liées à la conception et au calcul des structures mixtes (+ clauses homologues des EC2 et EC3.) Conformité avec les règles de conception et de calcul Déroulement des phases de construction - Préfabrication en usine des profilés métalliques - Manutention sur chantier - Pose ou non d’étayage, de coffrage (tout dépend de la solution technologique finale choisie) - Assemblage des éléments, pose des goujons - Coulage du béton

5.9.2. Tolérance en cours de construction et contrô le de la qualité

• Conditions d’exécution en cours de construction [contrôle de la qualité] Flèche sous charge statique pendant et après le bétonnage

- calcul des déformations - concevoir le coffrage et la structure porteuse afin qu’ils soient capables d’encaisser les flèches superposées

lors du bétonnage - si la construction est non étayée

Compacité du béton Prêter attention à la bonne compacité du béton autour des connecteurs (ou profils creux remplis de béton)

• Connexion Intérêt seulement porté aux goujons à tête

- durée appropriée de soudage d’un goujon et intensité du courant - contrôle visuel de la qualité de soudage des goujons - état du bourrelet de soudure périphérique et de la longueur du goujon. - Pas de soudure en cas de surface mouillée.

Fixation des goujons voir NORME NF A 89-020-2 et NF E 25-140 • Conditions de surface / Protection contre la corrosion à l’interface

Nettoyage des plaques avant le bétonnage Toutes traces d’huile (graisse et rouille non adhérente), d’impuretés et matières nuisibles à l’adhérence du béton sur la plaque en acier doivent être nettoyées.


NOTE D’ETUDE



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Annexes Annexe 1 : Effet mixte : qualification et quantific ation

Figure 26 Effet « mixte » = augmentation de la rési stance et de la rigidité des poutres Effets de l’association acier-béton (sous charges identiques) : - réduction des dimensions des profilés métalliques - réduction des flèches



NOTE D’ETUDE



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Figure 27 Effet mixte observé pour un cas concret

- Mise en évidence de l’importance de la liaison acier-béton - Comparaison des diverses méthodes de calcul (calcul élastique, plastique pour une connexion partielle ou complète) Les gains sur l‘épaisseur de plancher sont donc réa lisés en tenant compte du comportement plastique des matériaux et en liant l’acier et le béton. Comparaison des différents cas

• sans liaison VS calcul plastique (connexion totale) économie de la masse d’acier (45,5%) réduction de hauteur (130mm)

• calcul élastique VS calcul plastique (connexion 40%) économie de la masse d’acier (26%) réduction de hauteur (60mm) nombre de goujons quasi équivalent

• calcul élastique VS calcul plastique (connexion totale) économie de la masse d’acier (36,7%) réduction de hauteur (90mm) en revanche, le nombre de goujons est doublé

• calcul plastique : connexion 40% VS connexion totale économie de la masse d’acier (14,5) réduction de hauteur (30mm) en revanche, le nombre de goujons est doublé

Exemple d’une poutre simple chargée uniformément

Source : TGC 11 tab10.21 p366


NOTE D’ETUDE



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NOTE D’ETUDE



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Annexe 2 : Classes des sections : semelle comprimée et âme

Figure 28 Classification dune semelle comprimée

Figure 29 Classification d’une âme




NOTE D’ETUDE



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Annexe 3 : Caractéristiques des sections mixtes aci er-béton

Figure 30 Caractéristiques élastiques d’une section mixte acier-béton



NOTE D’ETUDE



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Figure 31 Caractéristiques plastiques d’une section mixte acier-béton



NOTE D’ETUDE



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Tables des illustrations Liste des figures Figure 1.........................................................................................................................................................................5 Figure 2 Schéma heuristique des documents à utiliser avec l’EC4..............................................................................5 Figure 3 Schéma heuristique simple de la construction mixte......................................................................................7 Figure 4 Différence entre poutre mixte et poutre non-mixte .........................................................................................7 Figure 5 Représentation graphique du principe du moment résistant en fonction de la flèche....................................9 Figure 6 Comparaisons de structures mixtes et non-mixtes ......................................................................................10 Figure 7.......................................................................................................................................................................13 Figure 8 Différents types de connecteurs ...................................................................................................................15 Figure 9 Planchers collaborants .................................................................................................................................17 Figure 10 Dalle et poutre ne font plus qu’un : profilés noyés dans le béton ...............................................................17 Figure 11 Enrobage partiel du profilé..........................................................................................................................17 Figure 12 Exemples de poteaux mixtes......................................................................................................................17 Figure 13 Dalle collaborante : bac acier en queue d’aronde et dalle béton................................................................19 Figure 14 Plancher collaborant avec plafond coupe-feu.............................................................................................19 Figure 15 Exemples de poteaux mixtes, sections transversales................................................................................23 Figure 16 Organigramme de dimensionnement d’un poteau mixte soumis à la compression axiale, partie 1 ..........26 Figure 17 Organigramme de dimensionnement d’un poteau mixte soumis à la compression axiale, partie 2 ..........27 Figure 18 Principe d’une poutre mixte acier-béton fléchie..........................................................................................30 Figure 19 Exemple de poutre mixte acier-béton, liaison goujonnée (domaine du bâtiment)......................................30 Figure 20 Sections à vérifier aux ELU ........................................................................................................................30 Figure 21 Définition de l’effort rasant et du trainage de cisaillement ..........................................................................32 Figure 22 Concept de largeur participante de dalle ....................................................................................................32 Figure 23 Définition de la classification des sections..................................................................................................35 Figure 24 Diagramme moment-courbure : définition des classes de section.............................................................36 Figure 25 Modèle de réflexion quant à la considération du retrait dans une structure mixte acier-béton ..................39 Figure 26 Effet « mixte » = augmentation de la résistance et de la rigidité des poutres ............................................43 Figure 27 Effet mixte observé pour un cas concret ....................................................................................................44 Figure 28 Classification dune semelle comprimée .....................................................................................................45 Figure 29 Classification d’une âme.............................................................................................................................46 Figure 30 Caractéristiques élastiques d’une section mixte acier-béton......................................................................47 Figure 31 Caractéristiques plastiques d’une section mixte acier-béton......................................................................48 Liste des tableaux Tableau 1 Comparaison des structures mixtes et non-mixtes......................................................................................9 Tableau 2 Comparaison globale structure mixte et non mixte ...................................................................................10 Tableau 3 Caractéristiques de résistance et de déformation du béton ......................................................................11 Tableau 5 ....................................................................................................................................................................33 Tableau 6 ....................................................................................................................................................................34 Tableau 7 Définition des classes de sections.............................................................................................................36

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