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 

Ces impératifs impliquent concétement de:

Système statique: on distingue:

Transmission des efforts: on distingue deux fonctionnement : 


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

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 :

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


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: 

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.  

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.

 


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.



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.