Structure métallique

2. 1. NOTIONS FONDAMENTALES
1.1. Quelques notions historiques :
L'apparition de l'acier en construction est concomitante au
développement de l'industrie de l'acier.
On a donc observé une explosion de l'emploi de l'acier à partir du
19eme siècle au cours duquel les
hauts fourneaux fournissent en quantité importante un produit de
relativement bonne qualité.
Quelques dates : - 1884 Le viaduc de Garabit
- 1889 : la tour Eiffel
- 1889 La Galerie des Machines à Paris
- 1890 environ : La reconstruction de Chicago après l'incendie. Mise
en oeuvre
des méthodes de protection contre le feu des structures aciers des
bâtiments.
- 1929 – 32 : Maison de verre de Pierre Chareau.
- 1976 Le centre Beaubourg.
- 1991 L'aéroport de Stansted par Foster.

3. 1.2. Les principes mécaniques
Le fonctionnement mécanique des ossatures en acier ne diffère en
rien, quant aux principes
fondamentaux, du fonctionnemment de n'importe quelle ossature. Les
éléments flêchis sont toujours
flêchis, les comprimés, comprimés... etc.
Toutefois, on relèvera que certaines différences de nature de
matériaux induisent des différences de
comportement ou de potentiel de fonctionnement.
On notera tout particulièrement :
- L'acier est un matériau homogène et isotrope.
- Sa limite élastique (traction ou compression) est nettement plus
élevée que celle du béton. Les
aciers de construction courants ont une limite élastique de 2400
daN/cm² pouvant atteindre 3600
daN/cm².
- Sa densité est élevée (7,6)
- Différents modes d'assemblages sont possibles offrant une grande
liberté de conception.

4. 2. LES PRINCIPAUX TYPES
D'ORGANISATIONS
STRUCTURELLES
On retiendra trois organisations principales ;
Les systèmes à portiques ou arcs,
les ossatures poteaux -poutres
 les structures spatiales.

5. 2.1. Les systèmes à portiques ou
arcs
Dans ces systèmes structuraux, toutes les
charges sont ramenées sur des éléments
plans disposés parallèlement.
Ces éléments sont, soit des portiques, soit des
arcs.
D'une manière générale, lorsqu'il s'agit de porter
des planchers, on utilise plus facilement des
portiques qui offrent, par leur traverse, un
élément plan et horizontal propice à l'appui
des éléments de planchers.
Attention à différencier le type de structure du
mode de construction. Un arc peut être
constitué d'un profil
simple ou d'un treillis plan ou spacial sans que
cela change le principe de son
comportement en grand.
Les différents types de portiques vous sont
connus. Ils sont répartis en deux groupes;
encastrés ou
articulés en pied.
La conséquence du déplacement de
l'encastrement est une répartition différente
des moments et donc
un déplacement de la matière (l'articulation en
pied permet un affinage du pied de béquille).
Se sont des
systèmes hyperstatiques.
Pour le
contreventement

6. Il existe des portiques à trois articulations
(articulation au centre de la traverse).
Cette articulation
supplémentaire ramène le portique dans le
domaine isostatique.
Le système à portiques est décliné à l'infini
dans la plupart des constructions
industrielles.
On peut également construire des
portiques à plusieurs étages et à
travées multiples. Les ossatures
métalliques d'immeubles sont souvent
traitées ainsi.
Le système de portique ou d'arc est
autostable dans son plan (il ne
nécessite pas de contreventement
dans le plan du portique) mais doit être
contreventé transversalement.
Ce contreventement est organisé autour
d'une ou plusieurs palées de stabilité
et des pannes sablières
(ou autre élément similaire) qui permettent
le transit des efforts vers la zone
stable.

7. 2.2. Les systèmes poteaux poutres
Il s'agit du système le plus simple dans
lequel on appuie directement sur les
têtes de porteaux, des poutres qui
reçoivent redirigent les efforts.
Ces bâtiments sont donc constitués d'une
structure linéaire verticale recevant,
sans encastrement, une structure
linéaire horizontale.
Les éléments horizontaux fonctionnent, de
manière générale, suivant un schéma
de poutre sur deux appuis. Ils sont
nécessairement plus résistants que
leur homologues des portiques qui
bénéficient de
l'encastrement sur la béquille (réduction
du moment en travée induite par l'effet
de l'encastrement aux appuis).
Par contre, les poteaux sont moins
sollicités et ne travaillent qu'en
compression (avec la sujétion de
flambement).

8. Le contreventementLe contreventement
Ces structures ne sont stables dans
aucune des deux directions
horizontales. Elles doivent être
contreventées dans les deux directions.
Elles présentent l'avantage de faciliter les
liaisons entre la poutre et le poteau
(simple articulation), et
permettent d'obtenir des poteaux fins (pas
de moment dans le poteau).
- Exemple : Centre Beaubourg dans lequel
les poteaux extérieurs reçoivent les
grandes poutres
sur une articulation équilibrée par le tirant
vertical via la "gerberette". Ce bâtiment
est contreventé par des
X dans les deux directions principales.

9. 2.3. Les Structures Spaciales
Il s'agit de structures dans lesquelles l'organisation de la matière s'opère
dans les trois directions. Le
système d'ossature comprend une certaine quantité de matière organisée
de manière à occuper un
volume supérieur à son volume propre. Les caractéristiques géométriques
d'inerties sont donc améliorées par rapport à l'utilisation classique.
Ce type de structures offre des possibilités de franchissements très
importants (100 m voire plus) et permet de gagner de la portée dans les
deux directions lors de la mise en oeuvre de nappes.
Nous allons revenir sur ces éléments.
La réalisation des ces structures complexes passe par l'utilisation de sous-
ensembles plus simples que
nous appellerons les
"éléments de charpentes".
L’importance de porte-à-faux

10. 3. LES ELEMENTS DE
CHARPENTES
Tous ces éléments peuvent être
utilisés simplement ou
combinés entre-eux pour
former une structure
plus complexe.
3.1. Les éléments simples :
Les ouvrages de charpentes complexes peuvent être réalisés au moyen d'éléments très
simples (Tour Eiffel avec de la cornière).
On trouve, dans le commerce, des éléments préfabriqués regroupés sous l'appellation
PCC (profilés courants du commerce).
Les plus connus sont les profils laminés à chaud dans lesquels on retrouve les célèbres
IPE.(voir le tableau)
De nombreuses formes et dimensions de profilés permettent de traiter un grand
nombre de cas courants.
IPE

11. 3.2. Les PRS :
Il s'agit des Profils Reconstitués Soudés
obtenus par assemblage par mécano-
soudure d'éléments
divers (en général des plats).
Cette technique est employée pour obtenir
des profils sortant de la gamme des
PCC (très grands I par
exemple), ou des profils présentant une
forme particulière (poutre à inertie
variable).
Ces PRS peuvent être à âme pleine ou
ajourée pour une recherche de gain de
poids.
Beaucoup de portiques sont réalisés avec
des PRS.
Sujetions principale des PRS : Le
voilement et le déversement de l'âme.
Réponse : Epaississement de l'âme
Raidissement par goussets
Raidissement par ondulations.

12. 3.3. Les Eléménts Plans
 Il s'agit d'une application directe de la recherche de rigidité en
rationnalisant les poids.
Le théorème de Huygens nous enseigne que l'inertie
d'une section par rapport à un axe quelconque croit
comme le carré de la distance entre l'axe et le CdG de la
section. (I = I0 + S x d²)

13. La Poutre Treillis :
La recherche de l'éloignement de la matière
par rapport à l'axe neutre (qui s'exprime,
au départ, par la
géométrie du profil en I) amène, en allégeant
l'âme du I au concept de la poutre treillis.
C'est l'archétype
de la structure plane.
Dans celle-ci, les diagonales et traverses
maintiennent de la matière éloignée de
l'axe neutre. Les efforts
transitent par les barres, des points
d'application, vers les points d'appui.
Chaque barre doit donc être
vérifiée par les procédés de calcul des
éléments en treillis (le plus connu étant
les épures de Crémona).
La ruine de ce type de poutre intervient en
général par flambement d'une diagonale,
rupture d'un noeud
ou déversement général.
Cette poutre est très rigide dans son plan.
Elle ne l'est pas hors du plan.
La forme du treillis détermine la dénomination
précise de la poutre (poutre en N Pratt, en
V Neuville, en
croix Warren...).
Poutre en X
Poutre en V
Plat de
jonction

14. Terminologie :
Membrure (basse, haute), Montant, Diagonale (cf lexique)
Suivant l'organisation du treillis, les diagonales et montants
travaillent différemment (traction -compression).
On signale, pour mémoire, la poutre échelle, qui est
l'expression la plus simple de la poutre treillis dans
laquelle les montants sont comprimés.
L'essentiel consiste en la recherche d'une inertie maximale
avec un poids minimum.
On remarque qu'historiquement, la poutre treillis a été
extrêmement utilisée. Cette utilisation a été
facilitée par la maîtrise de la technique d'assemblage par
rivets.

15. 3.4. Les Structures
Tridimensionnelles :
La poutre treillis permet d'obtenir de l'inertie dans un plan,
la poutre tridimensionnelle dans deux plans.
Pour répondre à des cas de charges nécessitant une
grande raideur dans les deux directions ou pour
permettre d'augmenter l'inertie verticale sans engendrer de
déversement, on a développé le concept de
la poutre tridi, qui présente une stabilité parfaite.
La terminologie est la même que pour les poutres planes
Les portées potentielles de ces éléments dépassent 100 m.
C'est le symbole de l'architecture hi-tech des années 70
à 80.
La poutre tridimensionnelle :

16. Nappes :
La nappe la plus simple est constituée d'un réseau de
poutres simples, disposées en générale de façon
orthogonale et reposant sur des appuis disposés en rives.
Lorsque les appuis forment un carré, les
efforts sont également répartis dans la nappe dans les
deux directions. Pour augmenter la capacité de la
nappe, on peut remplacer les poutres simples par des
poutres planes ou tridimensionnelles.
On obtient alors une nappe spaciale apte à reprendre des
efforts importants dans toutes les directions.
Le potentiel de franchissement de ces ouvrages atteint
facilement 60 à 80 m.

17. 3.5. Eléments divers :
 - Gousset
 - Platine
 - Fourrure
 - Sommier
 cf lexique

18. 4. LES ASSEMBLAGES
 On dispose de quatre
types d'assemblages :
 -1- L'assemblage
riveté.
 -2- L'assemblage
boulonné.
 -3- L'assemblage
soudé.
 -4- L'assemblage par
axe.

19. 4.1. Les assemblages rivetés :
Le rivet est une pièce métallique constituée d'un corps
(le collet) et d'une tête qui est mise en place dans
un percement et dont l'extrémité est ensuite matée du
coté opposé à la tête afin de relier deux pièces
ayant un contact plan.
L'effet de liaison s'opère du fait de l'impossibilité de la
tête du rivet ou de la partie matée de passer à
travers le trou. Par ailleurs, le matage du rivet induit un
effet de serrement qui plaque les deux pièces à
relier l'une contre l'autre.

20. Ce type de liaison a été longtemps le seul moyen
d'assemblage disponible avant l'apparition de la
boulonnerie de haute qualité et de la soudure.
On notera que la méthode de mise en oeuvre rend difficile
la réalisation d'encastrement.
Compte tenu des diamètres maxima pouvant être mis en
oeuvre et de la relativement faible force de
serrage développée par chaque rivet, les assemblages
comptent un nombre important de rivets, ce qui
confère un aspect particulier à ces ouvrages.
Aujourd'hui, le rivetage n'est plus utilisé en dehors de la
restauration des ouvrages anciens ou dans le
cadre d'une utlisation à des fins esthétiques.

21. 4.2. Les assemblages boulonnés :
C'est un des deux modes d'assemblage modernes qui sont
universellement utilisés de nos jours.
Constitution d'un boulon :
- Vis, Ecrou, Rondelle.
La boulonnerie est devenue très performante dans la
deuxième moitié du 20 eme siècle, notamment
avec l'apparition des boulons "H.R." (haute résistance). Ce
sont des boulons qui possèdent des
caractéristiques mécaniques élevées permettant un
serrage efficace. Ce serrage provoque, à l'intérieur
de l'assemblage, un état de précontrainte (tension dans le
boulon, pression entre les pièces reliées).

22. L'effort de serrage induit par les boulons est suffisamment important
pour générer des forces de frottement entre les pièces serrées. Ces
forces de frottement s'opposent aux efforts de glissement entre
les deux pièces.
Le cisaillement est, dans ce cadre, repris, non pas par le boulon, mais
par le frottement entre les deux pièces.
Ce fonctionnement autorise la mise en oeuvre d'assemblages entre
pièces très fortement sollicitées.
Des efforts de plusieurs dizaines de tonnes transitent dans les
assemblages boulonnés.
L'assemblage boulonné est aisément mis en oeuvre sur chantier et
facilite la fabrication en atelier des éléments d'ossature.
Il convient parfaitement bien aux éléments prévus pour être
démontables, mais les assemblages boulonnés ne sont pas
considérés comme provisoires et interviennent également dans les
structures définitives.

23. 4.3. Les assemblages soudés :
La soudure s'est généralisée il y relativement peu de
temps pour deux raisons principales :
. Son utlisation nécessite une source électrique
puissante et régulière
. Les aciers doivent avoir une composition chimique
permettant la soudure, ce qui n'était pas le cas des
aciers anciens.
La méthode de soudure permet de constituer un
assemblage par continuité de matière. En effet, la
soudure consiste en la mise en place, par élévation de
température, d'un bain de métal en fusion qui
s'unit aux pièces à relier. L'échauffement est obtenu
par création d'un arc électrique entre une électrode
métallique et les pièces à souder.

24. La qualité du métal d'apport est toujours supérieure à celle
des aciers à souder.
La technique de soudure est riche de nombreux détails
(type et dimensions des cordons, organisation du
joint, qualité du métal d'apport...) et permet des
interventions efficaces dans la quasi-totalité des cas.
La soudure se pratique préférentiellement en atelier, avec
du matériel lourd (soudure semi-automatique)
permettant la réalisation de cordons très réguliers et de
qualité parfaite.
Elle peut également se pratiquer sur chantier au moyen de
postes légers. Les conditions de mise en
oeuvre étant moins bonnes, le risque de malfaçon est plus
important. Au titre des malfaçons les plus
courantes, on relèvera les points suivants :

25. . Effet de "collage" par défaut de soudure en
profondeur (mauvaise distance électrode -
métal).
Dans ce cas, les pièces semblent fixées, mais la
liaison n'est pas une liaison à coeur, c'est un
simple collage qui n'offre aucune résistance.
. Effet de bullage du cordon (inclusion de laitier
dans le cordon).
. Mauvais état de surface des pièces à souder
(présence de corps gras).
. Baguettes défectueuses (baguettes humides ou
trop vielles, inadéquation entre le métal d'apport
et le métal des pièces à souder...)

26. Contrôle :
Le contrôle des soudures s'effectue par radiographie. Il est
très performant, mais relativement onéreux.
L'aspect visuel d'une soudure ne renseigne que très
partiellement sur la qualité réelle de la soudure. Il
convient, pour en apprécier la qualité, de conduire une
auscultation en profondeur pour déterminer le
niveau de liaison à coeur.
A noter qu'une soudure ne se meule jamais.
On retiendra, en première approximation, qu'un cordon de
soudure de taille classique (4 mm) reliant deux
pièces et subissant une traction, présente une résistance
de l'ordre de 1000 à 1500 daN/cm linéaire de
cordon.

27. Cette valeur illustre les capacités mécaniques très
élevées de la soudure.
La soudure entre deux pièces est une des
solutions pour obtenir un encastrement.
- Aspect sismique : Comme on l'a déjà évoqué,
l'assemblage soudé, du fait de sa rigidité,
présente une réaction aux sollicitations sismiques
qui n'est pas favorable. Le coefficient
d'amortissement dans le cas des soudures est
en effet plus faible que pour des assemblages
boulonnés.

28. 4.4. Les assemblages par axe :
On l'a vu, l'ossature métallique
favorise l'expression des concepts
fondamentaux de la statique. On
observe très fréquemment des
constructions qui expriment de
façon explicite, par exemple, le
cheminement des efforts dans les
contreventements (on pense
notamment aux X de
contreventement
du centre Beaubourg). Au niveau des
assemblages, cette remarque
prend une dimension toute
particulière. Le traitement des
différentes conditions d'appui
amène à des formes adaptées qui
favorisent
la lecture de l'organisation
mécanique. A ce titre,
l'assemblage par axe est une
illustration parfaite de
l'expression de la réalité mécanique.

29. L'assemblage par axe est la parfaite expression de
l'articulation.
Terminologie : - Axe
- Goupille
- Flasque
- Cadenne cf lexique
On remarquera que l'axe travaille en cisaillement pur dans
la mesure où les flasques de la cadenne sont
suffisamment rapprochés pour éviter la flexion dans l'axe.
L'assemblage par axe permet un montage aisé. Il se
décline à toutes les échelles et autorise le passage
de fortes charges.

30. 5. LES PLANCHERS SUR BACS
ACIER
Il s'agit du mode de plancher le plus couramment associé aux
ossatures métalliques. Le principe est de
réunir, dans un seul produit, les fonctions de coffrage et d'armature de
dalle (un peu à l’instar de la prédalle).
On utilise une tôle largement nervurée et garnie de reliefs qui assurent
l'adhérence entre le béton et la tôle, et l'on coule une dalle
collaborante sur la tôle. Le couple acier béton joue de manière
traditionnelle,mais avec l'acier situé en dehors de la dalle.
Ces planchers ont un sens de portée unique, donné par la direction
des ondes (sens parrallèle aux ondes). Les deux rives latérales ne
sont pas sollicitées.
Les épaisseurs courantes de ces dalles sont comprises entre 11 et 20
cm pour des portées de 2,5 à 4,5 m environ et des charges pouvant
atteindre 1000 daN/m².

31. Le principe de ces dalles offre une grande facilité de mise en
oeuvre (en dehors des sujétions d'étaiement) et en permet
l'utilisation dans de nombreux cas. Les découpes sont aisées et
la manutention des bacs est facile.
On notera que, très rapidement, l'espacement des porteurs conduit
à l'apparition d'une sensation
d'élasiticité parfois désagréable, et que, d'une manière générale,
on préfère rapprocher les éléments
supports et en diminuer la taille unitaire, ce qui permet d'éviter
l'aparition de ce phénomène.
Dans ces planchers, comme pour des planchers bois, on parlera
de solives pour les poutres
perpendiculaires au sens de portée.
La dalle
nervurée
Tôle en acier

32. 7. LE COMPORTEMENT AU FEU
7.1. Généralités
Il s'agit bien évidemment du principal problème à régler
dans le cadre de l'utilisation de l'acier dans la
construction. On a vu que l'acier perd ses propriétés
mécaniques lorsqu'on le chauffe. Il convient donc
de préserver les pièces de structure de l'élévation de
température.
Deux pistes sont explorées :
- Réalisation d'une barrière entre les pièces acier et les
sources potentielles.
- Protection active avec, dans certain cas, amélioration de
la détection et de l'information des
personnes.

33. 7.2. Les barrières thermiques
La coupure thermique est obtenue par mise en oeuvre d'un
matériau non thermiquement conducteur
entre le lieu de l'échauffement et la pièce à protéger.
7.2.1. La peinture intumescente
Il s'agit du premier degré de protection. On applique, sur la
pièce à protéger, une peinture ayant des
propriétés de réflexion de la chaleur. Cette peinture
retarde, un peu, l'élévation de la température de la
pièce en acier.
Les stabilités au feu escomptées avec la peinture
intumescente sont de l'ordre du quart d'heure, et, de
plus en plus, cette technique est abandonnée du fait de sa
faible efficacité, et surtout du caractère
aléatoire de celle-ci.

34. 7.2.2. Le flocage
Solution très fréquemment adoptée, le flocage consiste en
la projection, sur les pièces métalliques, d'un
matériau fibreux (autrefois chargé en amiante et
aujourd'hui remplacé par un matériau dépourvu
d'amiante) qui isole thermiquement la pièce métallique.
Cette projection se fait à la lance (propulsion à l'air). Elle
est rapide et relativement peu onéreuse.
Les degrés de stabilité au feu obtenus atteignent 2 heures.
Les entreprises de flocage délivrent des
certificats après réalisation de la protection qui garantissent
au concepteur l'efficacité de la protection.

35. On notera deux difficultés dans l'utilisation du flocage :
- Esthétique. Ce procédé n'est valable que dans les parties
cachées (sauf à créer un élément de masquage
spécifique.
- Durabilité de la protection, surtout dans le cadre des
interventions des corps d'états de second
oeuvre (plombier, electricien...) qui endommagent très
fréquemment la couche en réalisant leurs propres
travaux.
On signalera également au même titre, la protection par
application de plâtre, directement sur la pièce à
proteger. Cette technique, très employée avant l'apparittion
du flocage, est en perte de vitesse
actuellement. Elle présente l'avantage d'offrir une
excellente durabilité de la protection.

36. 7.2.3. L'encoffrement
Il s'agit d'une déclinaison de la technique d'isolement par
barrière. On réalise cet isolement par mise en
oeuvre d'un coffre en matériaux non-conducteurs. En
général, on utilise des plaques de plâtre sur carton
spéciales, offrant un degré coupe feu (placoflam par
exemple).
Les détails de mise en oeuvre doivent satisfaire à quelques
exigences, notamment en ce qui concerne
les accessoires de montage des plaques qui ne doivent
pas constituer des ponts thermiques (agraphes
"clipfeu").
Une variante de ce principe est offerte par les faux plafonds
coupe-feu qui, par nature, constituent une
barrière entre les éléments situés au-dessus et le local
inférieur.

37. 7.2.4. Variante du flocage, les systèmes de projection
de matériaux spéciaux
Il s'agit de la mise en oeuvre d'une gangue de protection
des éléments sensibles par projection d'un
produit spécial à base de fibres de céramique (kaowool),
masqué ensuite par un habillage séparé de la
guange par une lame d'air. Ce système a été développé
par Foster à la Hong Kong Bank, et une variante
(doublage des poteaux par une gangue de Glass
Renforced Cement) a été mise en oeuvre sur le
chantier de l'aéroport du Kansaï (R. Piano). Sur ces
réalisations, on se reportera aux publications
d'études de ces ouvrages.

38. 7.3. Les protections actives
Le sprinklage
Le principe du sprinklage est de refroidir les pièces
à protéger par projection, lors de l'incendie,
d'eau
sous pression afin de créer une athmosphère
humide qui abaisse la température.
Les sprinklers sont répartis sur toute la surface à
protéger au rythme de 1/10 m² environ. Ils sont
constitués d'un orifice avec collerette de
dispersion. L'orifice est bouché en période
normale par une
ampoule remplie de liquide thermodilatable qui
éclate, sans aucune intervention, lors de
l'élévation de la

39. température. Le réseau d'alimentation est prévu pour
fonctionner de façon autonome sans recours au
courant électrique. Le réseau est alimenté par une ou
plusieurs bâches qui distribuent l'eau de façon
gravitaire et maintiennent une pression permanente dans
les tuyaux.
On notera toutefois, à la lumière de l’analyse des causes
de l’effondrement des Twins Towers, que lors
de sinistres impliquant des hydrocarbures, la projection
d’eau n’est pas une réponse judicieuse.

40. 7.3.1. La Détection Incendie
Dans certains cas, la mise en place d'une détection
incendie peut suffire à la protection du public. Il
s'agit, entre autres, de certaines charpentes de couverture.
Toutefois, cette solution ne peut être
envisagée que dans des cas bien précis dont l'énumération
ne rentre pas dans le cadre du présent
cours.