Les structures en charpente métallique

Question 1

Définit l’acier.

Answer 1

L’acier est un alliage composé essentiellement de fer à 95% et de carbone. On peut modifier sa compo chimique pour changer ses propriétés en rajoutant du Cr, Al, Co, V, Cu, Mn, Titane,… .

Question 2

Combien est la teneur de carbone pour les aciers de charpente?

Answer 2

Elle est comprise entre 0.15 et 0.30%.

Question 3

Comment appel t on le procédé de fabrication des profilés en acier? Décrit ce procédé.

Answer 3

Les profilés de charpente en acier sont obtenus par le laminage à chaud, d’où l’appellation “profilés laminés”. Le laminage est un procédé au cours duquel un lingot d’acier chaud passe à travers une série de cylindre.

Question 4

Décrit les caractéristiques de l’acier.

Answer 4

Une nuance d’acier se caractérise par ses propriétés mécaniques dont les plus importantes sont la résistance et la ductilité.

Question 5

Comment varient les propriétés de l’acier?

Answer 5

En général la résistance et la ductilité varient en sens contraire: les aciers riches en carbone sont les plus résistants alors que la ductilité s’obtient avec les aciers pauvres en carbone.

Question 6

Décrit la relation entre l’acier et sa section.

Answer 6

L’acier est le matériau qui présente la plus grande résistance pour la plus faible section.

Question 7

La résistance de l’acier est définie par quelles contraintes?

Answer 7

Elle est définie par deux contraintes, soit: la contrainte de rupture et la limite élastique définie comme la contrainte au dessus de laquelle l’acier subit des déformations permanentes.

Question 8

Décrit la ductilité de l’acier.

Answer 8

La ductilité est la propriété la plus fondamentale de l’acier. On définit la ductilité comme la capacité de subir de grandes déformations, avant la rupture.

Question 9

Décrit la façon à travers laquelle on mesure la résistance et la ductilité de l’acier.

Answer 9

On les mesure à l’aide d’un essai de traction. Cet essai consiste à tirer une éprouvette de dimensions normalisées, entre les mâchoires d’une machine de traction et à mesurer la force appliquée et l’allongement de l’éprouvette (Δl) mesuré sur une longueur prédéterminée (l). Cet essai permet de déterminer la limite élastique de l’acier (Fy), la contrainte de rupture (Fu), et le pourcentage d’allongement à la rupture, qui est une mesure de la ductilité. On obtient une courbe contrainte - dilatation.

Question 10

Décrit le comportement de l’acier.

Answer 10

On distingue dans le comportement d’une éprouvette d’acier soumise à un essai de traction, trois phases successives:
1. la phase plastique ou la dilatation de l’éprouvette (ε=Δl/l) est directement proportionnelle à la contrainte. La courbe représentative de cette phase est une droite et sa pente est définie comme module d’élasticité ou module de Young (E).
2. la phase plastique, ou la force est relâchée, l’éprouvette conserve une déformation permanente ou plastique.
3. la phase de rupture.

Question 11

Combien est la valeur du module E pour les aciers de charpente?

Answer 11

Pour les aciers de charpente est égale à 200 000 MPa.

Question 12

Décrit la phase élastique d’un acier de charpente.

Answer 12

La dilatation d’un acier correspond à la limite élastique définie par (εy), elle est égale à Fy/E. Si la force relâchée avant que la dilatation atteigne cette valeur, l’éprouvette reprend sa longueur initial (l).

Question 13

Décrit la phase plastique d’un acier de charpente.

Answer 13

Si la dilatation dépasse la valeur (εy), on entre dans la phase plastique, c’est à dire que si la force est relâchée, l’éprouvette conserve une déformation permanente ou plastique. Par exemple, si on atteint le point A avant de relâcher la force, la contrainte revient à zéro en suivant la droite AO’ de pente E, c’est à dire parallèle à la droite de la phase élastique. La déformation permanente est égale à OO’. Si on augmente à nouveau la force jusqu’au point A et qu’on relâche, on retourne au point A et on revient à O’ en suivant la droite O’A. L’acier se comporte donc élastiquement selon O’A mais en conservant une déformation permanente.

Question 14

Définit la ténacité de l’acier de charpente.

Answer 14

La ténacité peut se définir comme étant la mesure de la résistance d’un acier vis à vis de la propagation brutale d’une fissure appelée rupture fragile.

Question 15

Quels sont les différents types de revêtement qui protègent l’acier contre la corrosion atmosphérique?

Answer 15

• les revêtements métalliques par galvanisation (zinc), *aluminiage (aluminium),
  *trempé ou en continu (toles),
  *métallisation au pistolet (zinc ou aluminium),
  *électro zingage,
  *galvanisation à chaud: exige une teneur en silicium précise,
  *les peintures: plusieurs couches dont des primaires à pouvoir inhibiteur, l’acier doit être décapé au préalable par sablage ou grenaillage.

Question 16

Comment peut on obtenir la stabilité au feu SF afin de respecter la sécurité incendie?

Answer 16

Par un de ces procédés:
*peinture intumescente: gonfle au contact de la chaleur et crée une couche isolante,
*flocage: application par projection d’un revêtement (base minérale) isolant la structure,
*protection rigide: mise en place d’écrans rigides en plaques de plâtre ou d’une projection en béton. Ces écrans peuvent être utilisés de façon continue par la réalisation d’un bardage double peau désolidarisé.

Question 17

Quels sont les produits de charpentes?

Answer 17

Les produits de charpente se divisent en deux familles:
*les produits plats,
*les produits longs.

Question 18

Que regroupe la famille des produits plats?

Answer 18

Elle regroupe:
*les toles et larges plats laminés à chaud,
*les plaques laminées à chaud,
*les toles minces laminées à froid,
*les toles nervurées obtenues par profilage à froid.

Question 19

Décrit en détail chaque produit appartenant à la famille des produits plats.

Answer 19

*les toles et larges plats laminés à chaud: en feuilles ou bobines, e=3-20mm, largeur maximale=1.8m, elles servent à la fabrication des charpentes, des profilés par soudure PRD, de biens d’équipement (chaudronnerie)… et des profils creux ou tubes, qui sont fabriqués à partir de toles pliées dans le sens de la longueur et soudées longitudinalement,, leur longueur=6-15m, et leur diamètre est de 400mm max. Les tubes de forme carrée, rectangulaire, hexagonale, elliptique, sont en général formés au départ de tubes ronds,
*les plaques laminées à chaud: d’une e>20mm-400mm, et d’une largeur max de 5m, elles sont utilisées pour la fabrication de biens d’équipements (navires, plates-formes offshore, tubes des oléoducs), la grosse chaudronnerie, la charpente lourde PRS, et les ouvrages d’art (ponts, passerelles),
*les toles minces laminées à froid: d’un e<3mm, souvent galvanisées et revêtues, disponibles sous la forme de feuilles ou de bobines. leurs utilisations sont nombreuses, particulièrement pour la fabrication de biens de consommation (automobiles, emballages, électroménagers,) et pour le bat sous la forme de toles nervurées et de profilés minces,
*les toles nervurées obtenues par profilage à froid: (machines à galets) de toles minces et sont utilisées pour les bardages, toitures, planchers, panneaux sandwich, les profiles minces sont obtenues par profilage ou pliage à froid de toles d’e < 5mm et ont une section de forme C, U, Z, Σ, ils sont utilisés dans les ossatures légères: pannes, lisses, charpentes légères, stands, cloisons, faux plafonds,… .

Question 20

Que regroupe la famille des produits longs?

Answer 20

La famille des produits longs regroupe:
*les poutrelles de la série des “I”, “U”, “H”,
*les laminés marchands (petites sections),
*les rails, palplanches, fils machines, rond à béton.

Question 21

Décrit en détail chaque produit appartenant à la famille des produits longs.

Answer 21

*les poutrelles de la série des: “I”: IPN (h=80-600mm), IPE (h=80-750mm), “U”: UPN, UPA, UPE (h=80-400mm), “H”: HEA, HEB, HEM, HL, HD, HP, (h=100-1100mm), leur longueur varie entre 18-33m selon le profil. il existe aussi des demi - poutrelles provenant de découpage des I ou des H, et des profiles dissymétriques dont la semelle inférieure est plus large et sert d’appui au plancher ,
*les laminés marchands (petites sections): barre de sections pleines rondes, carées, hexagonales, plats, fers “T”, petits “U”, cornières à branches,
*les rails, palplanches, fils machines, rond à béton: il existe des tube extrudés sans soudure (plus forte e).
Ces produits longs sont utilisés dans tous les secteurs industriels, mais particulièrement dans la cst métallique et dans l’industrie mécanique.

Question 22

Quels sont les éléments simples de la charpente en acier?

Answer 22

*les poteaux,
*les poteaux composés,
*les poutres,
*les assemblages,
*les contreventements,
*les planchers mixtes avec tole nervurée.

Question 23

Décrit les poteaux.

Answer 23

3 parties:
*le fut: principale,
*la tête: appui à la cst supérieure, répartie la charge sur le fut,
*le pied du poteau: répartie la charge sur la fondation,
2 types de sections:
*poteau à section constante,
*poteau à section déconstante,
forme de la section:
*à fut plein: HEA, HEB, IPM, E,
*en fut en treillis ou tubulaires,
leur comportement:
*IPM, IPE: faibles charges et hauteurs, leur inertie n’est pas importante, possibilité en hauteur en cas de remplissage entre poteaux,
*HE: grande inertie, résistance au flambement, tout les deux étages, on prévoit un joint pour facilité de montage.

Question 24

Décrit les poteau composés.

Answer 24

Ils sont utilisés en cas de besoin d’inertie et une charge moins importante, aussi étudiés pour être noyés dans les murs ou les cloisons.

Question 25

Décrit les poutres.

Answer 25

1.Poutre à âme pleine: composées de deux semelles et une âme, utilisées en cas simples de charges faibles, emploi des profilés en I ou en U isolées ou accolées pour raisons diverses, celles > 1m ne sont pas économiques,
2.Poutres composées: pour éviter le voilement, raidis par des raidisseurs, utilisées pour les grandes hauteurs,
3.Poutre à treillis: composées de deux membrures, des montants et des diagonales, pour les grandes portées, formées de deux membranes reliées entre elles par un élément en treillis, on distingue des poutres à simple treillis (Pratt, Warren), double, multiples,… .

Question 26

Décrit les assemblages.

Answer 26

Les pièces d’acier sont assemblées par le boulonnage ou par soudage, les rivets ne sont presque plus voire plus utilisés.
*le boulonnage: procédé relativement facile, son inspection est simple, il résiste à la traction et au cisaillement, les pièces de transfert sont essentielles,
*le soudage: nécessite des ouvriers spécialisés, sont inspection se fait par x ray, il exige un ajustage plus précis, lors de ce procédés des contraintes résiduelles produisent à cause d’un chauffage inégal de pièces, il est plus facile de réaliser la continuité des pièces qui permet la continuité de flux de contraintes, il est possible de le réaliser sans les pièces de transfert, il existe plusieurs types: soudure d’angle, en entaille, en bout, en bouchon,
Les assemblages sont classés en fonction de leur:
*Résistance,
*Rigidité:
Assemblage de type articulé (simple): il doit être conçu et dimensionné de sorte qu’il ne puisse pas développer des moments significatifs susceptibles d’exercer une influence défavorable sur la structure, le moment transmis par un poids simple est nul et la rotation est libre, il ne transmet que les réactions dues aux charges de gravité,
Assemblages rigides/encastrements (à résistance complète): il doit être conçu et dimensionné de sorte que sa déformation n’ait pas d’influence significative sur la répartition de sollicitations ni sur la déformation, et que sa résistance ne doit pas être inférieure à celle de l’élément assemblé, en zones sismiques se sont les seules à être autorisées,
Assemblages semi rigides.

Question 27

Décrit les contreventements.

Answer 27

Un système de contreventement comporte deux familles d’éléments:
*horizontale: assuré par les planchers et les toitures, leur rôle est de transmettre les actions latérales sollicitant les csts sur les éléments verticaux de contreventement, qui les communiquent ensuite aux fondations, ils doivent être prévus dans tous les niveaux y compris les toitures. En cst parasismique ils devraient être assurés par des diaphragmes rigides,
*vertical: Le système de contreventement d’une ossature assure la stabilité latérale du bat contre le vent et de toute sollicitation de direction horizontale. Il comporte des contreventements verticaux dont la fonction est de reporter les sollicitations hor au niveau des fondations. Il est souhaitable que le nombre de palées de stabilité soit sup au min nécessaire à la stabilité de la structure.

Question 28

C’est quoi un diaphragme rigide?

Answer 28

Des planchers et des toitures résistants au cisaillement et à la flexion dans leur propre plan et possédant une rigidité horizontale sup à celle des palées de stabilité. Tous les murs et poteaux liés à un diaphragme rigide subissent sous charges latérales le même déplacement en tête. Ces charges se répartissent donc sur les palées verticales proportionnellement à la rigidité relative de ces dernières. Les éléments les plus rigides supportent ainsi les charges les plus importantes. lorsque la rigidité d’une palée verticale vient à baisser par suite de sa fissuration ou de sa destruction, les efforts qu’elle ne peut plus supporter sont automatiquement redistribués par le diaphragme sur les autres palées.

Question 29

Décrit les planchers mixtes avec tole nervurée.

Answer 29

Le rôle principal des planchers est de réaliser des surfaces horizontales servant à supporter le poids propre et le transmettre aux éléments porteurs. Ils agissent comme des diaphragmes.
Le système du plancher le plus souvent utilisé est le plancher mixte avec dalle participante ou non (collaborant).
Un plancher mixte comprend une tole profilée, des armatures et du béton coulé sur place. Lorsque le béton durci on a une action composite de béton avec la tole, d’ou un élément mixte acier-béton.
Les toles profilées sont conçues pour servir à la fois de coffrage perdu et d’armature de traction.
Il faut assurer que la résistance des toles ou cisaillement agissant dans leur plan est suffisante, sinon dans les contreventements horizontaux sont nécessaires.

Question 30

Quels sont les avantages des planchers mixtes?

Answer 30

Rapidité et simplicité de la cst,
Cst plus légère,
Travail sur chantier limité,
Respect des tolérances,
Sécurité pour le chantier.

Question 31

Quels sont les types de tole nervurées?

Answer 31

Les toles nervurées varient par:
*la forme,
*la hauteur,
*l’entre axe des nervures,
*la largeur des toles,
*les moyens de raidissage,
*le dispositif de connexions mécaniques avec le béton.
Ces toles sont obtenues par profilage à froid:
* leur e est de 0.75 - 1.5mm,
*la hauteur des nervures est de 40 - 80mm,
*les toles sont protégées par galvanisation.

Question 32

Pourquoi assurer une liaison efficace entre l’acier et le béton?

Answer 32

Pour pouvoir transmettre le cisaillement des moyens suivants:
*la forme de profilage approprié,
*déformation locale,
*les petits trans dans la tole,
*des moyens d’ancrages par soudage,
*des ancrages seulement dans la zone d’extrémité.

Question 33

Décrit les systèmes en portique.

Answer 33

On peut rigidifier les assemblages poutres sur poteaux de manière à constituer un cadre rigide dans le plan vertical, que l’on appel un portique. La hauteur max de ce système est limitée à 5 niveaux en zone sismiques 3 (RPA).

Question 34

Cite les inconvénients du système en portique.

Answer 34

*pas économique, surtout en hauteur,
*cadre rigide exige plus de travail en usine,
*au delà d’une certaine hauteur la flexibilité et le déplacement deviennent trop importantes, donc inefficace en zone sismique.

Question 35

Décrit les ossatures contreventée par treillis ou palée triangulée.

Answer 35

Une triangulation par barres métalliques s’oppose à la déformation d’une ossature dans un plan vertical donné, en ne mettant en œuvre que la résistance aux efforts normaux (tractions ou compressions) des barres de triangulation. Dans ce système l’ossature complète (ptx poutres) reprend la totalité des charges verticales et les palées la totalité des charges horizontales. La hauteur limite en zone 3 est 10 niveaux.

Question 36

Quels sont les types de contreventements?

Answer 36

*le contreventement triangulé excentré: solution récente, confère à l’ossature une excellente capacité à dissiper l’énergie, comparable à cette des portiques auto - stables. Il s’agi de faire aboutir des barres de contreventement en dehors des nœuds ou sous la poutre.