Par wissem.taktak
Mise à jour le 20-06-2012
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Plan du document :
Généralités sur les charges et surcharges réglementaires
Actions du vent sur les constructions courantes à base rectangulaire (méthode simplifiée)
Actions de la neige sur les constructions
Les phénomènes d'instabilité élastique
Les assemblages en construction métallique
Jusqu’à 1993, la conception et le calcul des constructions métalliques étaient régis par différentes réglementations :
• Les règles de calcul des constructions en acier, dites règles CM 66
• Le titre V du fasicule 61 du cahier des prescriptions communes
• Les normes NF
• L'affitif 80
Depuis 1993, une nouvelle réglementation européenne est entrée en vigueur et impose, en remplacement de ces divers et précédents textes, un code unique : l’Eurocode 3.
• Resistance mécanique : la sesistance élevée à la traction permettant des portées et hauteurs importantes ; possibilité d'adaptation plastique pour une plus grande sécurité
• Industrialisation totale : préfabrication d'un bâtiment en atelier et montage sur chantier
• Transport aisé grâce au poids peu élevé
• Possibilité de modification et de recyclage d'un bâtiment
• Prix élevé (concurrentiel avec le béton armé pour les grandes portées)
• Mauvaise tenue en feu ce qui implique des mesures de protection onéreuses
• Entretien régulier du à la corrosion du métal
L’acier est essentiellement une combinaison de fer et de carbone. On ne le retrouve pas à l’état naturel ; il résulte d’une transformation de matière première tirée du sol. Les conditions matérielles de cette transformation entraîne dans sa composition la présence, en très faibles proportions, d’autres éléments (phosphore, souffre) considérés comme impuretés. Suivant la qualité de l’acier que l’on veut obtenir, il est possible d’abaisser le pourcentage de ces impuretés au cours de l’élaboration.
Mais l’acier peut également contenir d’autres éléments (silicium, manganèse, chrome, nikel, tungstène…) introduits volontairement en vue de modifier sa composition chimique et par suite ses caractéristiques physiques et mécaniques.
Les éléments additionnés permettent d’obtenir des qualités différentes classées sous forme de « nuance ».
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Aiguille : Tige ou barre travaillant à la traction et supportant en son centre le tirant de certaines fermes
Appenti : Toiture à une seule pente adossée à un mur ou à un bâtiment par son bord supérieur (faîtage) et dont le bord inférieur est soutenu par une sablière ou des poteaux.
Arbalétrier : Membrure supérieure de la poutre triangulée appelée ferme qui, dans un comble, supporte les pannes et les autres éléments de la toiture.
Arêtier : Pièce de charpente placée sous l’arête ( intersection de 2 versants) et sur laquelle s’assemblent les autres éléments de la charpente.
Auvent : Partie de la toiture d’une halle débordant largement à l’extérieur de la ligne des poteaux supports.
Brisure : Changement de direction affectant une barre dans un système de construction quelconque.
Chéneau : Canal disposé en bas de pente des toitures et servant à recueillir les eaux de pluie et à les diriger vers les tuyaux de descente.
Comble : Partie supérieure (faîte) d’un bâtiment. Volume situé sous les versants de la toiture.
Croupe : Versant de toiture permettant de renvoyer les eaux sur les chéneaux ou les gouttières implantés sur toute la périphérie d’un bâtiment.
Contreventements : Dispositif assurant la stabilité d’un bâtiment, d’une ossature et s’opposant à la déformation, au déversement ou au renversement des constructions sous l’action de forces horizontales
Diagonale : Barre placée en diagonale dans les panneaux d’une poutre en treillis ou d’une construction triangulée en général.
Echantignolle : Sorte d’équerre en fer plat plié servant à assujettir une panne sur un arbalétrier.
Empannons : Pièce destinée à diviser en plusieurs portées intermédiaires l’intervalle entre 2 fermes, de manière à réduire la section des pannes.
Entrait : Membrure inférieure d’une ferme dans un comble à deux ou plusieurs pentes.
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Les états limites sont des états au-delà desquels la structure ne satisfait plus aux exigences de performance pour lesquelles elle a été conçue. Les états limites sont classés en : états limites ultimes /états limites de service.
Les états limites ultimes sont associés à la ruine par déformation excessive, rupture, ou perte de stabilité de la structure ou d’une de ses partie, y compris les appuis et les fondations.
Les états limites de service correspondent aux états au delà desquels les critères spécifiés d’exploitation ne sont plus satisfait, on distingue :
• Les déformations ou flèches affectant l'aspect ou l'exploitation efficace de la construction (y compris le fonctionnement des machines ou des services) ou provoquant des dommages aux finitions ou aux éléments non structuraux
• Les vibrations incommodant les occupants, endommageant le bâtiment ou son contenu, ou limitant son efficacité fonctionnelle.
Une action (F) est :
Les actions sont classées : (en fonction de leur variation dans le temps) :
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• La construction est constituée par un bloc unique, ou des blocs accolés à toiture unique.
• La base au niveau du sol est un rectangle de longueur (a) et de largeur (b)
• La hauteur (h), différence entre le niveau de la base de la construction et le niveau de la crête de la toiture, est inférieur ou égal à 30 m.
• Les dimensions doivent obligatoirement respecter des conditions
• La couverture est : * Soit une toiture-terrasse * soit une toiture unique de hauteur f à un ou deux versants plans inclinés au plus de 40° sur l'horizontale * soit une voûte dont le plan tangeant à la naissance des directrices de la voûte est insclinée au plus de 40° et au moins 20° sur l'horizontale.
• Les parois verticales doivent : * reposer directement sur le sol * être planes dans décrochements * présenter une perméabilité
• La construction doit être située sur un terrain sensiblement horizontal dans un grand périmètre
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Le calcul des actions de la neige sur les constructions consiste à définir les valeurs représentatives de la charge de neige sur toute surface située au-dessus du sol et soumise à l’accumulation de la neige, et notamment sur les toitures.
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Les sollicitations dans une structure isostatique sont obtenues en utilisant les équations de la statique.
Dans une structure hyperstatique, les sollicitations peuvent, en général, être déterminées par l’une des méthodes d’analyse suivantes :
• Analyse globale élastique
• Analyse globale plastique
L'analyse globale élastique peut être utilisée dans tous les cas.
Diverses conditions doivent être respectées pouir que l'analyse plastique soit envisageable.
• L'acier doit avoir une limite de rupture supérieure d'au moins 20% à la limite d'élasticité, un allongement à rupture d'au moins 15% et une déformation plastique ultime supérieure à 20 fois la déformation élastique : tous les aciers usuels de construction métalliques satisfont ces conditions sans difficulté.
• Les sections transversales des éléments au droit et dans le voisinage des rotules plastiques doivent être de Classe 1 de façon à pouvoir développer, sans risque de voilement local, les déformations plastiques attendues, tout en équilibrant les sollicitations correspondant à leur capacité plastique.
• Les assemblages au droit et dans le voisinage des rotules plastiques doivent présenter une capacité de déformation équivalente à celle de l'élément attaché ou, à défaut, présenter une capacité résistante supérieur d'au moins 20% par rapport à celle de cet élément.
• Les tronçons affectés par les plastifications doivent comporter un maintien latéral contre le déversement à la fois au droit et de la part et d'autre de leurs sections plastifiées. Peu d'ossatures courantes réunissent ces différentes caractéristiques et, de ce fait, le calcul en élasticité est le plus souvent suffisant pour les optimiser, notamment quand elles sont constituées d'éléments en I qui, par la géométrie de leur section transversale, offrent déjà en élasticité un très bon rendement en flexion.
Les sections transversales sont répertoriées en 4 classes par l'EC.3.
Ce classement est effectué selon des critères divers :
Le fait de déterminer la classe d'une section permet d'avoir des renseignements sur son comportement et sa résistance, et donc permet de choisir la méthode de calcul adptée.
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Le calcul d'une structure exige que, sous toutes les combinaisons d'actions possibles, définies réglementairement, la stabilité reste assurée. Il s'agit donc de vérifier que les contraintes et les déformations restent en dessous des limites admissibles.
• Dans le cas des petites déformations, il suffit simplement de vérifier que les contraintes restent inférieures à la contrainte de ruine
• Dans le cas des grandes déformations, il faut vérifier : * le flambement : phénomène très dangereux, il affecte les pièces simplement comprimées ainsi que les pièces comprimées et fléchies. * Le déversement : moins dangereux, il affecte les semelles comprimées des pièces fléchies * le voilement : de moindre importance, il affecte les âmes des pièces
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Une structure métallique est un ensemble de pièces individuelles assemblées.
Il existe deux possibilités d'assemblage :
Le rôle d'un assemblage est :
1. Fonctionnement par obstacle : C'est le cas des boulons ordinaires, non précontraint, dont les tiges reprennent les efforts et fonctionnent en cisaillement.
2. Fonctionnement par adhérence des pièces assemblées : Dans ce cask, la transmission des efforts s'opère par adhérence des surfaces des pièces en contact. Cela concerne le soudage, le collage, le boulonnage par boulons HR.
3. Fonctionnement mixte : C'est le cas du rivetage (et dans les cas extrêmes des boulons HR), à savoir que les rivets assurent la transmission des efforts par adhérence des pièces jusq'uà une certaine limite, qui lorsqu'elle est dépasée, fait intervenir les rivets par obstacle, au cisaillement.
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Le soudage est un procédé qui permet d'assember des pièces par liaison intime de la matière, obtenue par fusion ou plastification.
Le soudage présente, par rapport au boulonnage, plusieurs avantages :
En revanche, il présente divers inconvénients :
On peut citer :
Procédé chimique au chalumeau oxyacéthylénique
Il utilise la combustion d’oxygène et d’acétylène, à une température d’environ 3000°C, le métal d’apport étant fourni par des baguettes d’acier fusibles, ce procédé est peu utilisé en construction métallique, car il est plus onéreux que les procédés à l’arc pour des sections d’acier épaisses.
Procédés à l'arc électrique
Ce sont les procédés les plus couramment utilisés en construction métallique.
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L'acier tend à se dégrader superficiellement lorsqu'il est soumis à des milieux corrosifs : atmosphères humides, condensation, eaux et sols. La rouille est donc devenue la terreur des maîtres d'oeuvre... et des maîtres d'ouvrage. Pourtant, les précautions prises à la conception et à la réalisation des éléments en acier permettent de la prévenir totalement... lorsque le risque existe! Dans la plupart des cas, il faut le protéger ou utiliser une nuance assurant son autoprotection. L'acier entre dans les constructions métalliques sous des formes différentes qui ne seront pas protégées de la même façon (profilés laminés à chaud pour les ossatures, tôles formées à froid pour les éléments plans: façades, couvertures, planchers, équipements). De plus, tous ces produits ne seront pas soumis aux mêmes agressions et les taux de corrosion ne sont pas identiques dans toutes les atmosphères.
Pour l'acier, la forme de corrosion la plus courante est la corrosion uniforme, ou généralisée, qui se traduit par la formation de rouille. Ce produit, composé d'oxydes plus ou moins hydratés, ne se forme qu'en présence d'oxygène et d'eau à température ordinaire. Cette corrosion est dite aqueuse et c'est la forme la plus fréquemment rencontrée en construction métallique.
D'autres formes de corrosion peuvent se manifester dans des conditions particulières : corrosion localisée, corrosion sous contrainte, corrosion à haute température ...
La bonne préparation de la surface de l'acier est d'une importance capitale pour obtenir un système de protection efficace.
Les deux facteurs principaux dans le traitement préalable des surfaces sont la propreté et la rugosité.
Le profilé, ou la tôle, d'acier sortant du laminoir est généralement recouvert d'une couche de calamine bleu foncé. Pendant le stockage à l'air libre, la calamine se transforme progressivement en rouille; celle-ci s'écaille peu à peu, découvrant l'acier sous-jacent. Certains procédés de laminage évitent la formation de calamine, tel le laminage thermomécanique des tôles.
Les différents procédés de protection contre la corrosion, sont :
• Galvanisation à chaud
• Zingage électrolytique
• Mise en peinture
• Métallisation par projection suivie de mise en peinture
• Galvanisation à chaud suivie de mise en peinture
Il existe des spécifications techniques particulières pour les préparations de surface par grattage, piquage et brossage, jusqu'à élimination de la calamine et de la rouille. Ces opérations peuivent se faire au burin pneumatique, au pistolet à aiguilles pneumatique ou à la brosse métalique rotative, électrique ou pneumatique. Le degré de soin de décapage correspondant à ces techniques s'apprécie par référence à la norme française NF E 05-501 "Echantillons de comparaison viso-tactile".
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