Charpentes métalliques
Conception et dimensionnement des halles et bâtiments
Manfred A. Hirt/Michel Crisinel
Presses polytechniques et universitaires romandes
Avant-proposV
Table des matièresVII
Conception
1. Introduction
1
1.1 Objectifs de l'ouvrage3
1.2 Structure et contenu3
1.3 Documents de référence4
1.3.1 Normes et recommandations4
1.3.2 Autres références6
1.4 Conventions7
1.4.1 Terminologie et typographie7
1.4.2 Axes8
1.4.3 Notations et signes9
1.4.4 Unités9
1.5 Bref historique des charpentes métalliques9
1.5.1 XVIIIe et XIXe siècles9
1.5.2 Première moitié du XXe siècle13
1.5.3 Deuxième moitié du XXe siècle17
2. Bases de la conception
23
2.1 Introduction25
2.2 Propriétés du matériau acier et de ses produits25
2.2.1 Caractéristiques mécaniques25
2.2.2 Résistance aux températures élevées26
2.2.3 Résistance à la corrosion26
2.2.4 Caractéristiques d'isolation thermique et phonique28
2.2.5 Coût28
2.3 Phases d'un projet d'ossature métallique28
2.3.1 Etude du projet28
2.3.2 Fabrication et montage31
2.3.3 Utilisation future31
2.4 Critères de conception33
2.4.1 Nombre et position des points porteurs33
2.4.2 Hauteur de plancher à disposition34
2.4.3 Joints de dilatation34
2.4.4 Système statique35
2.4.5 Sections des profilés36
2.4.6 Assemblages36
2.4.7 Stabilisation de l'ossature37
2.4.8 Montage et transport38
2.4.9 Eléments de second oeuvre et circulations intérieures39
2.5 Protection contre l'incendie40
2.5.1 Objectifs et mesures de protection40
2.5.2 Résistance au feu41
2.5.3 Conception de la sécurité incendie42
2.5.4 Conclusion43
2.6 Protection contre la corrosion44
2.6.1 Choix du système de protection44
2.6.2 Protection par revêtements44
2.6.3 Conception des détails46
2.6.4 Conclusion47
3. Systèmes porteurs des halles
49
3.1 Introduction51
3.2 Structures porteuses formées de plans51
3.2.1 Types de structure51
3.2.2 Cheminement des forces et décomposition de la structure52
3.2.3 Cadres en profils à double té55
3.2.4 Fermes à treillis62
3.2.5 Autres types de traverse62
3.2.6 Montants de cadre (ou poteaux)64
3.3 Stabilisation des halles66
3.3.1 Systèmes de contreventements67
3.3.2 Transmission des efforts horizontaux70
3.3.3 Limitation des déformations70
3.3.4 Stabilité des éléments porteurs74
3.3.5 Types d'élément de stabilisation74
3.3.6 Contreventements situés dans les toitures non horizontales79
3.4 Structures en shed80
3.4.1 Sheds indépendants de la structure porteuse principale82
3.4.2 Sheds intégrés à la structure porteuse82
3.4.3 Stabilisation des halles en shed84
3.5 Structures spatiales87
3.5.1 Grilles de poutres88
3.5.2 Treillis spatiaux89
3.5.3 Surfaces courbes92
3.5.4 Structures plissées94
3.6 Structures particulières95
3.6.1 Structures suspendues95
3.6.2 Structures tendues96
3.6.3 Structures à membrane97
4. Systèmes porteurs des bâtiments
101
4.1 Introduction103
4.2 Systèmes porteurs usuels103
4.2.1 Ossatures articulées103
4.2.2 Ossatures à noyau central105
4.2.3 Ossatures en cadres rigides108
4.2.4 Structures en tubes112
4.2.5 Disposition des éléments porteurs verticaux113
4.2.6 Contreventements115
4.3 Systèmes porteurs particuliers118
4.3.1 Structure à treillis alternés118
4.3.2 Bâtiments à portiques119
4.3.3 Bâtiments-ponts120
4.4 Planchers121
4.4.1 Fonctions et composition121
4.4.2 Systèmes de poutraison122
4.4.3 Types de poutres125
4.4.4 Types de dalles128
4.5 Poteaux et suspentes134
4.5.1 Types de poteaux134
4.5.2 Types de suspentes137
4.6 Assemblages137
4.6.1 Assemblages solive-sommier137
4.6.2 Assemblages poutre-poteau140
4.6.3 Joints de poteau141
4.6.4 Pieds de poteau143
4.6.5 Assemblages entre éléments métalliques et murs en béton143
5. Eléments secondaires
149
5.1 Introduction151
5.2 Enveloppe152
5.2.1 Fonctions principales152
5.2.2 Fonctions de la toiture153
5.2.3 Fonctions de la façade153
5.3 Toiture154
5.3.1 Composition et types de toiture154
5.3.2 Eléments protecteurs (étanchéité, isolation, pare-vapeur)155
5.3.3 Eléments porteurs (les pannes)157
5.3.4 Toitures plates160
5.3.5 Toitures inclinées162
5.3.6 Eclairage zénithal164
5.4 Façades de halle167
5.4.1 Composition167
5.4.2 Ossature de façade167
5.4.3 Bardage simple peau (sans ou avec isolation)170
5.4.4 Bardage double peau170
5.4.5 Panneau sandwich171
5.5 Façades de bâtiment172
5.5.1 Types de façade172
5.5.2 Façades lourdes173
5.5.3 Façades légères177
5.6 Tolérances et déformations182
5.6.1 Tolérances dimensionnelles182
5.6.2 Déformations183
Dimensionnement
6. Principes de dimensionnement, charges et actions
185
6.1 Introduction187
6.2 Bases de construction et principes de dimensionnement187
6.2.1 Etapes de la vie d'un ouvrage et documents d'organisation187
6.2.2 Elaboration du projet189
6.2.3 Vérification de l'aptitude au service191
6.2.4 Vérification de la sécurité structurale193
6.3 Charges permanentes196
6.3.1 Poids propre de la structure porteuse196
6.3.2 Poids des éléments non porteurs197
6.4 Charges pendant la construction198
6.5 Charges utiles dans les bâtiments199
6.5.1 Catégories habitation, bureaux, réunion et vente, toiture199
6.5.2 Catégories de surfaces accessibles aux véhicules200
6.5.3 Catégorie entreposage et fabrication200
6.5.4 Silos et réservoirs201
6.6 Effets climatiques201
6.6.1 Neige201
6.6.2 Vent202
6.6.3 Température206
6.7 Actions dues aux ponts roulants207
6.7.1 Introduction207
6.7.2 Charges verticales208
6.7.3 Effets dynamiques des ponts roulants208
6.7.4 Forces horizontales209
6.7.5 Effets de fatigue211
6.8 Actions accidentelles212
6.8.1 Choc213
6.8.2 Incendie214
6.8.3 Séisme215
6.9 Exemples numériques219
6.9.1 Système porteur d'une halle industrielle219
6.9.2 Charges et actions sur la halle industrielle221
6.9.3 Système porteur d'un bâtiment à étages224
6.9.4 Charges et actions sur le bâtiment à étages226
7. Toitures et façades métalliques
231
7.1 Introduction233
7.2 Tôles profilées234
7.2.1 Matériaux234
7.2.2 Actions et situations de risque235
7.2.3 Résistance en section236
7.2.4 Calcul des efforts intérieurs245
7.2.5 Vérification de la sécurité structurale250
7.2.6 Vérification de l'aptitude au service251
7.3 Panneaux sandwiches254
7.3.1 Composition et matériaux254
7.3.2 Actions et situations de risque256
7.3.3 Résistance en section257
7.3.4 Détermination des efforts intérieurs et des déplacements261
7.3.5 Vérification de la sécurité structurale265
7.3.6 Vérification de l'aptitude au service266
7.4 Assemblages267
7.4.1 Notions de base267
7.4.2 Actions à considérer269
7.4.3 Résistance des assemblages269
7.4.4 Dimensionnement272
7.5 Exemples numériques272
7.5.1 Dimensionnement d'une tôle profilée272
7.5.2 Dimensionnement d'un panneau sandwich274
7.5.3 Calcul des attaches de la tôle de la toiture (support d'étanchéité)277
8. Pannes et ossature de façade
281
8.1 Introduction283
8.2 Pannes283
8.2.1 Fonction des pannes283
8.2.2 Actions et situations de risque283
8.2.3 Système statique285
8.2.4 Calcul des efforts intérieurs287
8.2.5 Résistance en section288
8.2.6 Vérification de la sécurité structurale289
8.2.7 Vérification de l'aptitude au service294
8.3 Ossature de façade295
8.3.1 Fonctions de l'ossature de façade295
8.3.2 Charges à considérer295
8.3.3 Système statique296
8.3.4 Vérification de la sécurité structurale296
8.3.5 Vérification de l'aptitude au service298
8.4 Exemples numériques298
8.4.1 Dimensionnement d'une panne298
8.4.2 Dimensionnement d'une filière302
8.4.3 Dimensionnement d'un plateau de bardage307
9. Dalles mixtes
311
9.1 Introduction313
9.1.1 Tôles profilées313
9.1.2 Connexion entre la tôle et le béton314
9.1.3 Actions à considérer315
9.2 Dimensionnement de la tôle profilée316
9.2.1 Calcul des efforts intérieurs316
9.2.2 Résistance et rigidité des sections317
9.2.3 Vérifications de la tôle profilée317
9.3 Dimensionnement de la dalle mixte318
9.3.1 Calcul des efforts intérieurs318
9.3.2 Résistance en section319
9.3.3 Vérification de la sécurité structurale326
9.3.4 Vérification de l'aptitude au service327
9.4 Exemple numérique : dimensionnement d'une dalle mixte331
10. Sommiers et solives
341
10.1 Introduction343
10.2 Assemblages343
10.2.1 Assemblages articulés343
10.2.2 Assemblages rigides346
10.3 Poutres en profilés laminés et poutres composées à âme pleine347
10.3.1 Actions à considérer347
10.3.2 Système statique et calcul des efforts intérieurs347
10.3.3 Effet de la semi-rigidité des assemblages348
10.3.4 Introduction des forces concentrées350
10.3.5 Vérification de la sécurité structurale353
10.3.6 Vérification de l'aptitude au service357
10.4 Poutres avec ouvertures dans l'âme360
10.4.1 Résistance ultime au cisaillement361
10.4.3 Renforcements363
10.4.4 Calcul de la flèche364
10.5 Poutres mixtes acier-béton364
10.5.1 Introduction364
10.5.2 Résistance en section367
10.5.3 Comportement des poutres mixtes367
10.5.4 Calcul des efforts intérieurs372
10.5.5 Connexion acier-béton377
10.5.6 Résistance des connecteurs385
10.5.7 Cisaillement longitudinal de la dalle388
10.5.8 Vérification de la sécurité structurale391
10.5.9 Vérification de l'aptitude au service395
10.6 Vibrations des planchers402
10.6.1 Perception humaine402
10.6.2 Fréquence d'oscillation404
10.6.3 Accélération maximale404
10.6.4 Amortissement405
10.6.5 Vérifications405
10.7 Exemples numériques406
10.7.1 Dimensionnement des solives406
10.7.2 Dimensionnement des sommiers en poutre simple413
10.7.3 Dimensionnement des sommiers continus sur trois travées419
10.7.4 Vérification de la vibration d'un plancher429
11. Cadres de halles
433
11.1 Introduction435
11.2 Comportement structural d'un cadre436
11.2.1 Influence de la rigidité des éléments436
11.2.2 Situations élémentaires d'un cadre437
11.2.3 Imperfections439
11.2.4 Effets des non-linéarités442
11.2.5 Classification des cadres444
11.3 Calcul statique des cadres447
11.3.1 Actions et situations de risque447
11.3.2 Méthodes de calcul449
11.3.3 Méthode élastique450
11.3.4 Méthode plastique451
11.3.5 Choix d'une méthode de calcul460
11.4 Stabilité élastique des cadres461
11.4.1 Introduction461
11.4.2 Rappel de la théorie du flambage461
11.4.3 Cadre idéal soumis à des forces nodales463
11.4.4 Cadre idéal soumis à des forces non nodales465
11.4.5 Evaluation des longueurs de flambage466
11.4.6 Effet d'un contreventement de toiture470
11.4.7 Effet des imperfections géométriques476
11.5 Procédure de dimensionnement476
11.5.1 Prédimensionnement476
11.5.2 Méthodes de détermination des efforts intérieurs477
11.5.3 Calcul des efforts intérieurs au premier ordre478
11.5.4 Calcul des efforts intérieurs au second ordre479
11.5.5 Vérification de la sécurité structurale483
11.5.6 Vérification de l'aptitude au service483
11.6 Exemple de calcul statique d'un cadre484
11.6.1 Classification du cadre484
11.6.2 Calcul des efforts intérieurs488
12. Eléments de cadre
493
12.1 Introduction495
12.2 Traverses en profil à double té495
12.2.1 Types de traverse495
12.2.2 Sécurité structurale496
12.2.3 Aptitude au service501
12.3 Fermes à treillis502
12.3.1 Types de ferme à treillis502
12.3.2 Efforts intérieurs504
12.3.3 Sécurité structurale510
12.3.4 Aptitude au service516
12.3.5 Vérification des noeuds518
12.4 Montants de cadre de halle524
12.4.1 Montants de section constante525
12.4.2 Montants composés529
12.4.3 Montants à section variable534
12.5 Angles de cadre540
12.5.1 Principes540
12.5.2 Angle de cadre articulé541
12.5.3 Angle de cadre rigide542
12.6 Pieds de montant549
12.6.1 Principes549
12.6.2 Transmission des efforts dans le béton551
12.6.3 Pieds de montant articulés556
12.6.4 Pieds de montant encastrés557
12.7 Exemples numériques562
12.7.1 Vérification d'une traverse562
12.7.2 Vérification d'un montant566
12.7.3 Vérification d'un angle de cadre569
12.7.4 Vérification d'un pied de poteau articulé572
12.7.5 Vérification d'un pied de poteau articulé avec liste de centrage574
12.7.6 Vérification d'un pied de poteau encastré575
13. Ossatures de bâtiments à étages
579
13.1 Introduction581
13.2 Comportement structural d'un cadre582
13.2.1 Classification des cadres582
13.2.2 Imperfections582
13.3 Calcul statique des cadres583
13.3.1 Système global583
13.3.2 Juxtaposition d'éléments structuraux583
13.4 Longueur de flambage584
13.4.1 Mode de flambage à noeuds fixes584
13.4.2 Mode de flambage à noeuds déplaçables587
13.4.3 Rigidité des poutres et des pieds de poteau587
13.5 Poteaux métalliques588
13.5.1 Profils en double té588
13.5.2 Profils creux588
13.5.3 Sections pleines591
13.6 Poteaux mixtes595
13.6.1 Profils enrobés de béton595
13.6.2 Profils creux remplis de béton596
13.6.3 Influence de l'effort tranchant598
13.7 Cadres à noeuds semi-rigides598
13.7.1 Comportement des noeuds598
13.7.2 Modélisation du noeud601
13.7.3 Classification des noeuds603
13.7.4 Calcul statique des cadres à noeuds semi-rigides604
13.8 Exemples numériques606
13.8.1 Dimensionnement d'un poteau métallique606
13.8.2 Dimensionnement d'un poteau mixte608
13.8.3 Méthode de dimensionnement des sommiers mixtes à noeuds semi-rigides611
13.8.4 Exemple de dimensionnement d'un sommier mixte semi-continu613
14. Contreventements
617
14.1 Introduction619
14.2 Systèmes de contreventement619
14.2.1 Actions et systèmes statiques619
14.2.2 Cheminement des efforts horizontaux621
14.3 Contreventements triangulés627
14.3.1 Treillis plans627
14.3.2 Treillis non plans630
14.3.3 Excentricités des barres de contreventement631
14.3.4 Effets dus à la dilatation thermique633
14.3.5 Inertie équivalente634
14.4 Contreventements en tôle profilée635
14.4.1 Effet diaphragme635
14.4.2 Panneau637
14.4.3 Diaphragme sans interaction avec les cadres643
14.4.4 Diaphragme en interaction avec les cadres646
14.4.5 Stabilisation des pannes650
14.5 Exemples numériques653
14.5.1 Calcul d'un contreventement triangulé653
14.5.2 Calcul d'un contreventement en tôle profilée658
Annexes664
A 14.1 Coefficients a tenant compte de l'effet des pannes intermédiaires664
A 14.2 Coefficients b tenant compte du nombre d'attaches tôle-panne par largeur utile
de plaque664
A 14.3 Constante K du profil tenant compte du mode de fixation de la tôle665
15. Voies de roulement de ponts roulants
667
15.1 Introduction669
15.1.1 Engins de manutention669
15.1.2 Ponts roulants670
15.1.3 Classification des ponts roulants673
15.2 Détails de construction et tolérances674
15.2.1 Rails de roulement674
15.2.2 Joints de poutres675
15.2.3 Tolérances676
15.3 Cheminement des forces676
15.3.1 Charges verticales679
15.3.2 Forces transversales681
15.3.3 Forces longitudinales683
15.4 Aptitude au service de la voie de roulement684
15.4.1 Calcul des déplacements de la poutre de roulement684
15.4.2 Valeurs indicatives de flèches et vérification685
15.5 Sécurité structurale de la poutre de roulement686
15.5.1 Contraintes dans la poutre de roulement686
15.5.2 Participation du rail à la résistance689
15.5.3 Calcul de la fixation du rail689
15.5.4 Effets des forces concentrées691
15.6 Sécurité à la fatigue694
15.6.1 Principe de vérification694
15.6.2 Calcul des efforts intérieurs et des contraintes695
15.6.3 Résistance à la fatigue696
15.7 Exemples numériques698
15.7.1 Prédimensionnement699
15.7.2 Vérification de la sécurité structurale700
15.7.3 Vérification de la sécurité à la fatigue705
15.7.4 Calcul de la fixation du rail707
15.7.5 Introduction des forces708
Index711
Notations715
Crédits des illustrations720
Biographie des auteurs721