GÉNÉRALITES SUR LA CONCEPTION DES OSSATURES

<= Notes sur les pratiques techniques

Introduction: La conception doit assurer l’esthétique, la fonctionnalité, la préfabrication aisée en atelier et la rationalité. Le problème principal dans la conception d’un bâtiment à ossature métallique est de savoir par où passent les efforts afin de bien dimensionner les éléments et d’assurer correctement la stabilité de l’ouvrage. Les structures ont une géométrie et un comportement mécanique tridimensionnels. Néanmoins pour la conception comme pour le dimensionnement le concepteur est amené à les décomposer en systèmes plans selon les trois directions de l’espace (plan, coupe, élévation). Cette simplification est justifiée dans de très nombreux cas classiques. Il existe cependant de vraies structures tridimensionnelles, dont l’analyse ne peut accepter cette simplification.

Principes fondamentaux: La conception d’ensemble, préalable à tout calcul, consiste à établir une organisation générale des éléments de telle sorte que toutes les fonctions structurelles soient remplies, dans des conditions compatibles avec l’exploitation du bâtiment. On doit donc respecter trois principes fondamentaux au cours d’une étude

stabilité de l’ouvrage vis à vis de toutes les actions qui lui sont appliquées sans exception, lesquelles doivent être véhiculées depuis leur point d’application jusqu’aux fondations, sans aucun hiatus dans leur cheminement.
Maintien de la cohérence du schéma de fonctionnement structurel depuis le choix des hypothèses de départ jusqu’au stade de l’étude de détail des assemblages entre éléments
Aptitude de l’ouvrage à l’utilisation prévue

Ces impératifs impliquent concétement de:

prédéterminer avec précision un cheminement à travers la structure de tous les efforts qui lui sont appliqués, en prévoyant les éléments structurels et les assemblages nécessaires à ce cheminement ;
choisir avec soin les hypothèses de liaisons entre les éléments de structure et avec les fondations en s’assurant de la faisabilité technique des dispositions qui en découlent et en recherchant par ces choix la meilleure économie globale pour le projet ;
veiller à la cohérence des déformations relatives des systèmes structurels en présence et à la compatibilité de ces mêmes déformations avec les conditions d’utilisations de l’ouvrage

Système statique: on distingue:

systèmes isostatiques: la suppression d’un élément entraîne l’instabilité de l’ouvrage. Ces systèmes acceptent de légers déplacements relatifs.
Systèmes hyperstatiques: la suppression d’un seul élément n’entraîne pas l’instabilité

Transmission des efforts: on distingue deux fonctionnement :

Transmission des actions vers les fondations en mobilisant la résistance en flexion des éléments: poutres de planchers, portiques
Transmission des actions vers les fondations en mobilisant la résistance à l’effort normal des sous éléments les constituants: éléments triangulés

Analyse des éléments simples: il y a deux types d’analyse possibles:

en élasticité pure: le critère de ruine est la limite d’élasticité. C’est le point de vue des règles CM66
en plasticité: on admet qu’il puisse y avoir une adaptation plastique des sections dont on peut se servir pour alléger la structure (point de vue de l’eurocode et de l’additif 80)

Les capacités plastiques correspondent à des distributions de contraintes en blocs dans la section, égales à la limite d’élasticité ; en cas de surcharges celles ci peuvent être reprises par la plastification d’autres sections. Une simplification très utilisée est celle de rotule plastique :

Rotule plastique: les déformations élastiques sont établies en étendant artificiellement le comportement purement élastique de l’acier jusqu’à saturation plastique de la section : il y a passage brutal de la pleine rigidité élastique au comportement plastique. i.e. les déformations plastiques sont strictement localisées au droit de certaine sections.

L’analyse plastique ne présente véritablement d’intérêt que pour les structures de degré d’hyperstaticité élevé, où le risque de déversement est réduit et où les critères ELS et de stabilité ne sont pas prépondérant. Il va de soi que ce type d’analyse n’est pas le plus courant en pratique.

Analyse globale des structures : le type d’analyse la plus courante est l’analyse élastique au premier ordre, seule prise en compte par les règles CM66, et dont les hypothèses de bases sont les suivantes :

comportement du matériau indéfiniment élastique linéaire
les déplacements de la structure sont négligeable par rapport à ses dimensions géométriques

coût: le coût entre pour une grande part dans un choix technologique ; on distingue deux facteurs principaux:

coût relatif à la matière: on parle de tonne par m² de charpente posée
coût d’atelier: on parle d’heures d’atelier par tonne de charpente posée (ce rapport peut varier de un à quatre)

Eléments de charpente: dans toutes les phases du projet, il faut toujours se demander comment les éléments de l’ouvrage pourront être usinés, transportés, montés, utilisés et entretenus. La plupart des petites pièces du projet devraient être à l’épreuve du camion-benne : i.e. conçues comme si elles devaient être chargées en vrac dans un camion et déchargées par basculement de la benne. Si elles ne peuvent résister à un tel traitement, le monteur risque de perdre du temps à les redresser ou attendre leur remplacement sur chantier.

Types d’éléments:

éléments tendus: ce sont les éléments les plus simples, ceux qui permettent d’optimiser au mieux la résistance du matériau de base ; il faut tenir compte de la section nette pour les assemblages boulonnés, et de l’excentricité des attaches qui peut apporter un moment supplémentaire non négligeable. Les éléments purement tendus se rencontrent le plus souvent dans les contreventements et les fermes treillis. On les rencontrent quelquefois dans les suspentes (reprise des efforts de gravité dans les bâtiments à étage, pour empêcher la flexion latérale d’ossatures de bardages et de couvertures, etc.), les tirants (reprise de poussée en pied de portique, équilibrage de structure en consoles, etc.) ou câbles (ponts, etc.). on peut réaliser des suspentes par:

ronds en acier fileté
fer plats, boulonnés par recouvrement ; cet assemblage résiste mieux à la fatigue que le rond.
En double U ; il représente une plus grande rigidité que le fer plat
Câbles

Nota: les barres calculés seulement à la traction et devant se dérober par flambement élastique comme les barres de contreventements, doivent avoir un élancement assez grand. De ce fait ils peuvent être soumis à des battements lors d’inversions d’efforts, à des pliages lors d’efforts transversaux accidentels, à des mises en guirlande qui augmente les efforts de tractions du fait du poids propre de la poutre qui fonctionne alors comme un câble. D’où la nécessité de fixations intermédiaires (e.g. sous les pannes)

pièces sollicitées en compression simple: sauf pour de rares cas de pièces courtes, il faut systématiquement vérifier les pièces comprimées au flambement. Les éléments treillis et les poteaux sont des exemples classiques de pièces soumises à compression simple.

En règle générale il faut que les épaisseurs soient conséquentes pour éviter les phénomènes de voilement. Il faut aussi éviter les sections qui présentent de faibles inerties de torsion, comme les cornières simples, les tés ou les profils en croix, qui peuvent ne pas flamber en flambement flexion, mais en torsion ou en torsion-flexion (cas nettement plus défavorable). On doit de plus éviter le flambement individuel d’éléments jumelés.

Les sections les plus utilisées sont les cornières jumelées, puis les U laminés et jumelés pour des efforts importants.

Pièces sollicités en flexion (poutres): le moment maximum est le plus souvent déterminant.

Profilés laminés à chaud: leur portée varie de 4-5m à 50m. la vérification en effort et en flèche sous l’effet de l’effort tranchant est inutile ; l’optimisation en flexion simple est rarement possible à cause des phénomènes de déversements qui la limite.
Profilés en I reconstitués soudés: pour eux il faut effectuer la vérification aux phénomènes de voilement. Ils offrent la possibilité d’adapter de manière souple les caractéristiques géométriques, épaisseurs et longueurs, aux besoins de résistances (ils peuvent aussi avoir un intérêt esthétique) le gain de masse doit être relativement conséquent par rapport à la solution d’un I laminé à chaud afin de compenser les surcoûts dus au soudage des tôles de bases.
Profilés à parois minces formés à froid: ils donnent lieu à des vérifications spécifiques. Leur portée varie de 4-7m à parfois plus de 10m. leur épaisseur varie de 0.5 à 5mm.

Poutres à âme ajourée: la constitution de ces poutres est rendue possible par la surabondance d’épaisseur au niveau de l’âme des profilés laminés à chaud. On découpe selon une ligne de découpe polygonale régulière de part et d’autre de l’axe médian, et les deux demi profils sont assemblés par soudure après un décalage d’un motif. Leur principal intérêt est la légèreté et la possibilités qu’ils donnent pour le passages des conduites etc. toutefois des vérifications spéciales s’imposent dues à la répartition spéciale de l’effort tranchant dans les âmes ajourées.

poutres planes à treillis: on remplace les âmes pleines des profilés I ou H par des barres inclinées qui constituent avec les membrures un système triangulé capable d’amener les efforts tranchants d’un bord à l’autre.

Leur principal avantage est d’optimiser au maximum l’utilisation du matériau acier ; de plus, bien que de nos jours cet avantage soit secondaire, les pièces de bases sont facilement manipulables et transportables, quelque soit l’importance de l’ouvrage à construire.

Lorsque les barres treillis sont rigidement liées et assemblées aux nœuds (soudure, boulons précontraints) les moments secondaires se propagent d’une barre à l’autre en fonction des rigidités de flexion de celles-ci, et seul un code informatique permet de modéliser correctement ces effets. Les assemblages par boulons normaux sont considérés comme articulés.

Profils reconstitués soudés en caissons: Ce type de section est utilisée lorsqu’une poutre est sollicitée de façon quelconque par rapport à ses axes principaux de section transversale et par des efforts excentré par rapport à son centre de torsion (e.g. poutre de chemin de roulement) . En effet lorsqu’un risque de ruine par flexion biaxiale accompagnée de torsion est trop élévée cette solution s’impose.

treillis spatiaux: chaque nœud étant fixé dans l’espace par deux plans de triangulations, il n’y a plus guère d’instabilité d’ensemble à craindre ; ce genre de poutre est pratique pour reprendre des charges transversales d’orientation quelconque. Toutefois ce type de conception présente un coût assez élevé du fait de la complexité des nœuds d’assemblages. Cette conception est donc réservée soit à la structure primaire d’ouvrages très importants, soit au contraires à des structures très légères pour lesquelles il est donné la priorité au critère esthétique.
poteaux comprimés et fléchis: dans de nombreux cas et notamment les structures légères, les poteaux sont plus dimensionnés à la flexion qu’au flambement, l’effort normal n’étant pas prépondérant. Le paramètre fondamental dans les calculs de poteaux à la flexion déviée composée avec risque de flambement et de déversement, est la longueur de flambement.

Flèche et contre-flèche: (La contre flèche est souvent réalisée par le traceur) lors de la vérification de la structure, si les flèches entraînent des déformations trop visibles sur des pignons et que cela pourrait apporter une gêne, on peut adopter une contre flèche c’est à dire une flèche inverse donnée initialement à la structure. Sous l’effet des charges verticales les têtes de montant ont tendance en effet à sortir du plan vertical. Tant que cette obliquité n’est pas visible (1/400°) on peut la conserver. Sinon on adopte une contre flèche qui fait que le montant redevient vertical sous l’effet des charges permanentes.

Remarque: il faut bien sur éviter que le monteur veuille annule cette flèche en écartant les bases de montants, ce qui diminuerait le moment d’angle en augmentant dangereusement le moment sur la portée.

D’une manière générale la contre flèche de fabrication a pour valeur celle de la flèche due aux seules charges permanentes.