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C O N S T R U C T I O N E T T R A VA VA U X P U B L I C S

Ti253 -

Les superstructures du bâtiment

Construction Constru ction métallique

Réf. Internet : 42230 | 3 e édition

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III

Cet ouvrage fait partie de

Les superstructures du bâtiment (Réf. Internet ti253) composé de :

Méthodes de calcul et conception

Réf. Internet : 42825

Les matériaux de construction


Les bétons dans la construction


Béton armé et béton précontraint


Construction métallique


Constructions mixtes - Constructions souples


Construction bois


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IV

Cet ouvrage fait partie de

Les superstructures du bâtiment (Réf. Internet ti253) dont les experts scientifiques sont : Jean-Pierre MUZEAU Professeur des universités, ancien responsable du département Génie Civil de Polytech' Clermont-Ferrand

Frédéric RAGUENEAU Directeur du Laboratoire de Mécanique et Technologie de l'ENS Cachan

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V

Les auteurs ayant contribué à cet ouvrage sont :

Nicolas BOISSONNADE

Marc LAPOINTE

Pour l’article : C2530

Pour les articles : C2505 – C2508 – C2509

Jacques BROZZETTI

René MAQUOI



Sébastien BRUN

Jean-Pierre MUZEAU



Alain BUREAU

Malory SIMON



Maël COUCHAUX

Léopold SOKOL



Joël K RUPPA

Anna SO KOL-PALISSON



Guy LAGAE

Wesley VANLAERE






VI

Construction métallique (Réf. Internet 42230)

SOMMAIRE 1– Instabilités

Réf. Internet

Instabilités structurales. Principes généraux

C2510

11

Instabilités structurales des barres. Flambement et déversement

C2511

15

Instabilités structurales des plaques. Voilement

C2512

19

Instabilité des coques

C2513

25

2– Constructions métalliques

Réf. Internet

La construction métallique

C2500

31

Analyse des structures

C2530

35

Vérication des barres en acier. Etats limites et critères de dimensionnement

C2553

39

Constructions métalliques . M oyens d'assemblage

C2520

45

Constructions métalliques . Assemblages par procédés mécaniques

C2521

47

Constructions métalliques. Assemblages par soudage

C2522

53

Composants métalliques tendus et comprimés

C2551

57

Composants métalliques échis. Assemblages de poutres - Méthode des composants

C2554

63

Composants métalliques échis. Assemblages de pieds de poteaux

C2557

71

Sécurité incendie des ouvrages en structures acier et acier/béton. Partie 1

C2506

77

Construction mince

C2517

81

Les poutres de roulement de ponts roulants

C2518

85

3– Protection anticorrosion

Réf. Internet

Protection anticorrosion par galvanisation à chaud des structures métalliques

C2505



page

page

page 93

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Protection anticorrosion des aciers par thermolaquage

C2508

99

Protection anticorrosion des aciers par systèmes de peinture liquide

C2509

105





Ｑ 1– Instabilités

Réf. Internet

Instabilités structurales. Principes généraux

C2510

11

Instabilités structurales des barres. Flambement et déversement

C2511

15

Instabilités structurales des plaques. Voilement

C2512

19

Instabilité des coques

C2513

25

page

2– Constructions métalliques 3– Protection anticorrosion



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Ｑ

ＱＰ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＰ

Instabilite´ s structurales Principes ge´ ne´ raux ´ MAQUOI par Rene Ingeńieur civil des constructions Professeur e´me´rite de l’universite´ de Lie`ge

Ｑ

1. 1.1 1.2 1.3

´ sistance des structures vis-a ` -vis de l’instabilite ´ .................. Re Importance de l’instabilite´ en construction me´tallique .................... E´quilibre et stabilite´ ..... .................... ...................... ..................... ....... Instabilite´s structurales e´le´mentaires ..................... .................... .......

2. 2.1

2.2

´ e´ lastique ......................................................... Types d’instabilite Instabilite´ par bifurcation...... .................... ...................... ................... 2.1.1 Poteau comprime´ axialement................... ..................... .......... 2.1.2 Plaque en compression uni-axiale uniforme .......................... 2.1.3 Panneau cylindrique en compression uni-axiale uniforme.... Instabilite´ par point limite.... ..................... .................... .....................

— — — — — —

4 5 5 6 7 8

3. 3.1 3.2

´ le´ ments structuraux, ide ´ al et re´ el ............................................. E Éle´ment structural ide´ al ................... ...................... ..................... ....... Imperfections structurales et geóme´triques................. .....................

— — —

8 9 9

4.

´ thodes de de ´ termination des charges d’instabilite´ ............ Me

—

10

5.

Conclusions ......................................................................................

—

10

Pour en savoir plus..................................................................................

C 2 510 – 2 — 2 — 2 — 3

Doc. C 2 510

es tre`s bonnes proprie´te´s de re´sistance et de raideur qui caracte´risent les

L aciers de construction expliquent que la construction me´tallique fasse un

tre` s large usage d’e´ le´ments structuraux e´lance´ s. Un corollaire est que l’instabilite´ structurale devient une preóccupation majeure lors de l’e´tude de projets. L’instabilite´ structurale peut indiffe´ remment affecter les structures en barres, en plaques ou en coques. Il existe ainsi de multiples pheńome`nes d’instabilite´ ayant leurs spećificite´s. Leur traitement rigoureux trouve vite ses limites, au plan strict de l’analyse mathe´matique, et la plupart des solutions pratiques pre´ - conise´ es font appel a` l’expe´ rimentation et aux outils nume´ riques. Dans le pre´sent dossier :

ＵＱＰＲｲ･ｩｲｶ￩ｦＺｮｯｩｴ｡､ｩｬ｡ｶ･ｲ￨ｩｮｲ･ｄＭＹＰＰＲｩ｡ｭＺｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

– on introduit intuitivement la relation entre e´ quilibre et stabilite´ et on identifie clairement les pheńome` nes d’instabilite´ e´le´mentaires qui seront examine´ s plus en de´ tail par la suite ; – on commente, en les illustrant, les deux types d’instabilite´ e´lastique – par bifurcation et par point limite – et on en donne les caracte´ ristiques et proprie´te´s ; – on souligne ce qui diffe´ rencie l’e´ le´ment structural reél tel que reálise´ par les me´thodes usuelles de fabrication, donc dote´ d’imperfections et fait d’un mate´- riau reél, de l’e´ le´ment structural ide´ alement parfait constitue´ d’un mate´ riau a` comportement « theórique » inde´finiment e´ lastique ; – on leur associe respectivement la charge ultime, seule repre´sentative de la capacite´ portante reélle, et la charge critique e´ lastique, qui intervient neánmoins au rang des parame`tres de´terminants dans l’e´valuation de la premie` re. Les dossiers suivants (dont [C 2 511]) abordent successivement et se´ pare´ment, mais toujours au plan conceptuel, les instabilite´s spe´ cifiques aux barres, aux plaques et aux coques. Quant aux aspects re´ glementaires, ils sont aborde´ s dans les dossiers s’adressant spećifiquement aux e´ le´ments structuraux concerne´s.

Toute reproduction sans autorisatio n du Centre franç ais d’exploit ation du droit de copi e est strictement interdite. – © Editions T.I.

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C 2 510 – 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＰ ´ S STRUCTURALES INSTABILITE

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

´ sistance des structures 1. Re ` -vis de l’instabilite´ vis-a

Ｑ

on ne s’e´tonnera pas que les pheńome`nes d’instabilite´ structurale doivent parfois eˆtre traite´s par des voies empiriques associant fondements mathe´ matiques et de´ marches pragmatiques inspire´ es par le sens physique, l’expe´rience, la simulation nume´rique et les e´tudes parame´triques. Ainsi, le praticien dispose de´sormais de me´thodes de ve´rification relativement simples des e´le´ments structuraux susceptibles de pe´rir par instabilite ´ structurale ; ces me´thodes ont trouve´ place sous forme de re`gles dans les Eurocodes structuraux, et, en particulier, dans l’Eurocode 3 [6], [7], [8]. Il n’est toutefois pas concevable que ce meˆme praticien se borne a` n’e ˆ tre que l’applicateur de telles re`gles en ignorant les fondements mathe´matiques les plus e´ le´mentaires et les principes physiques sous-jacents.

Les ve´ rifications re´glementaires des e´ tats limites d’instabilite´ , qui sont a` ranger parmi les e´ tats limites ultimes, font appel a` des proce´dures scientifiquement et techniquement fondeés couvrant les pheńome`nes d’instabi lite´ e´le´mentaires. Elles recourent, par contre, a` des relations d’interaction approcheés lorsque deux, ou plusieurs, de ces pheńome`nes sont susceptibles de coexister. Dans l a se´rie des dossiers consacre´s aux instabilite´s, l’accent est porte´ bien davantage sur l es concepts que sur les de´veloppements mathe´matiques. Le but de ces dossiers n’est en effet nullement de constituer un traite´ de stabilite´ , ou plutoˆt d’instabilit e´, mais de rassembler les e´le´ments de la connaissance utiles a` une compre´hension physique et rationnelle des re`gles qui gouvernent les pheńome`nes d’instabilite´ .

Dans cette perspective, plusieurs dossiers relatifs a` l’instabilite´ structurale ont e´te´ pre´pare´ s et incorpore´ s a` la rubrique Construc- tions me´talliques . Leur objectif n’est nullement de de´velopper la theórie de cette discipline mais bien d’introduire, sans de´veloppements mathe´matiques inutiles, les principaux concepts dont la perception est requise pour acque´rir la maı ˆ trise ope´rationnelle des phe´ nome` nes d’instabilite´ .

1.1 Importance de l’instabilite´ en construction me´ tallique

´ quilibre et stabilite´ 1.2 E L’analyse globale d’une structure donneé soumise a` des actions donneés consiste a` de´terminer les efforts inte´rieurs induits par ces actions dans les divers e´le´ments structuraux. La notion de stabilite´ y apparaı ˆt toujours associeé au concept d’e´quilibre. On attend que, sous toute mise en charge, la structure et ses e´ le´ments constitutifs prennent une configuration de´ formeé telle qu’en toute section de la structure il y ait e´quilibre entre les forces exte´rieures sollicitantes et les efforts inte´rieurs que celles-ci produisent.

Les e´le´ments structuraux rencontre´ s dans la construction me´tallique se distinguent tre` s ge´ ne´ralement de ceux constitue´ s d’autres mate´riaux de construction habituels – tels, par exemple, le be´ton, le bois et la maç onnerie – par leur grand e´ lancement. Ceux de type barre (poteau, poutre, e´le´ment de contreventement, maˆt,…) sont en effet longs, comparativement aux dimensions de leur section transversale, tandis que ceux de type plaque ou coque (section formeé a` froid, section reconstitueé par soudage, silo, chemineé,…) sont de faible e´paisseur comparativement aux dimensions du volume dans lequel ils s’inscrivent. Cette spe´ cificite´ est le re´sultat, a` la fois, d’une grande re´sistance et d’une raideur e´leve´ e des mate´riaux me´talliques utilise´ s en constructions civiles, parmi lesquels les aciers occupent une place pre´ ponde´rante.

Toute configuration d’e´ quilibre est de´termine´ e par les valeurs des de´placements en tous points. Quant a` la stabilite´ de cette configuration , elle est examineé au travers de la re´ ponse de la structure a` une perturbation re´ sultant d’une action exte´rieure fictive additionnelle (par exemple une force ou un de´placement impose´) de valeur arbitraire mais tr e`s petite.

Lorsqu’une structure est soumise a` des actions ou combinaisons d’actions telles que certains de ses e´le´ments structuraux constitutifs, voire certains composants de ces e´le´ments, se trouvent totalement ou partiellement comprime´ s, leur re´sistance est affecteé, de manie`re de´favorable, par les effets de leur e´lancement. Pour faire bref et simple, disons que la re´sistance d’un e´le´ment structural (un poteau, par exemple) est conditionneé par la re´ sistance de la section transversale de cet e´le´ment (en l’espe`ce, celle du poteau), lorsque ce dernier est peu e´ lance´ (poteau trapu), et par une re´ sistance moindre, lorsque l’e´lancement devient significatif (poteau e´lance´).

La configuration d’e´quilibre est dite respectivement stable ou instable , selon que la structure revient ou ne revient pas a` cette configuration d’e´quilibre lorsqu’on supprime la cause perturbatrice. &

La stabilite´ de l’e´ quilibre est une notion de base essentielle de la Mećanique du Solide. Il est d’usage de l’introduire, sous une f orme illustrative et intuitivement compre´hensible, au travers du proble` me e´le´ mentaire repre´sente´ a` la figure 1.

La notion d’e´ lancement traduit intuitivement une influence de la longueur. Il s’agit ne´ anmoins d’une influence relative. Ainsi, de la meˆme manie`re qu’un poteau de section donneé apparaı ˆ t de plus en plus souple lorsqu’on accroı ˆt sa hauteur, cette souplesse diminue par contre lorsque, a` hauteur donneé, on augmente les dimensions, et donc l’encombrement, de la section transversale. Cette re´duction de la re´sistance des e´le´ments structuraux en raison de leur e´lancement est le fait de pheńome ` nes d’instabil ite´ structurale . L’e´tude de ces pheńome`nes est, non seulement, d’un grand inte´reˆt, mais est aussi, comme cela vient d’eˆtre mis en e´vidence, une nećessite´ pour toute personne inte´ resse´ e, a` quelque titre que ce soit, par la construction me´tallique. Cette e´tude devient rapidement complexe et se heurte t re`s toˆ t a` des difficulte´ s d’ordre mathe´matique. Les solutions analytiques rigoureuses des e´quations diffe´ rentielles re´gissant les pheńome`nes d’instabilite´ structurale ne sont pas le´ gion ; elles ne couvrent que des situations simples dont la pratique ne peut se satisfaire. Les ouvrages de re´fe´rence sont nombreux ; le lecteur particulie`rement inte´ resse´ a` ces mat ie`res pourrait utilement se re´ fe´rer a` [1], [2], [3], [4].

a stable

c indifférent

Comme l’ingeńieur a vocation, non seulement d’identifier les proble` mes a` re´soudre, mais aussi de leur apporter des re´ponses,

C 2 510 – 2

Figure 1 – Caracte´ risation de l’e´ quilibre

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b instable

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＰ ´ –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– INSTABILITES STRUCTURALES

Exemple. Soit une bille sphe´ rique inde´formable soumise a` la seule action de son propre poids et pose´ e successivement dans un espace solide concave (figure 1a ) , puis sur un espace solide convexe (figure 1 b ), et enfin sur un plan horizontal (figure 1 c ). Dans le premier cas, la bille trouve assez naturellement sa position d’e´quilibre au fond de la cavite´ . Dans le second cas, il faudra beaucoup d’adresse pour re´ ussir a` la faire reposer au sommet alors que, dans le troisie`me cas, elle reste simplement la` ou` on la de´ pose si, comme on le fait habituellement, tout effet d’inertie est ne´ glige´. Dans chacune de ces positions initiales, la bille est strictement en e´ quilibre. Exercer une perturbation de l’e´ tat d’e´quilibre consiste, par exemple, a` appliquer une force transversale de tre` s faible intensite´ au centre de gravite´ de la bille. Cette perturbation entraıˆne nećessairement un de´placement de l’objet par rapport a` sa configuration d’e´ quilibre initial. La question se pose ensuite de savoir comment se comporte la bille si l’on supprime la perturbation, c’est-a` -dire si l’on annule la cause de la perturbation. Examinons les trois situations pre´ citeés. Dans le premier cas (figure 1a ), la bille ne peut, sous l’effet de la perturbation, que quitter le fond pour remonter sur la paroi de la cavite´ dans laquelle elle se trouve. La suppression de la perturbation a pour effet de permettre a` la bille de regagner le fond par simple gravite´ . La configuration d’e´ quilibre initiale est alors qualifie´ e de stable . ` l’inverse, lorsque, dans le second cas (figure 1 b ), la bille quitte A sa position de de´ part, la gravite´ ne peut que l’entraıˆner a` descendre le long de la paroi. Ce de´ placement n’est nullement entrave´ par l’annulation de la perturbation. La configuration d’e´ quilibre initiale correspond a` un e´ quilibre instable . La perturbation appliqueé a` une bille reposant sur un plan horizontal (figure 1 c ) force la bille a` se de´placer sur ce plan mais la suppression de la perturbation laisse simplement la bille dans l’e´ tat de de´placement ainsi atteint. L’e´ tat d’e´ quilibre initial est dit neutre ´ rent . ou indiffe

Les pheńome`nes de stabilite´ structurale sont a` ranger parmi les e´tats limites ultimes ; ils constituent les e´ tats limites d’instabilite´ . &

Une ve´ rification spe´ cifique de la stabilite´ de tout ou partie d’un e´le´ment structural est requise en pre´sence d’une sollicitation susceptible d’induire des contraintes de compression dans tout ou partie de cet e´ le´ment. Une large part des actions sollicitant les constructions civiles sont des actions de gravite´. Il en va notamment ainsi du poids propre, des surcharges et des charges d’exploitation fixes ou mobiles. On comprend de`s l ors aise´ ment que la plupart des e´le´ments d’une construction sont directement ou indirectement soumis a` des efforts inte´ rieurs comportant des contraintes de compression. Par ailleurs, les effets d’une instabilite´ potentielle sont d’autant plus grands que ce qui est comprime´ est e´lance´. En conse´quence, s’agissant de sensibiliser a` l’instabilite´ structurale, on peut le´gitimement, a` des fins pe´dagogiques, souscrire a` l’e´ quation l itte´rale suivante : Compression + e´ lancement = danger d’instabilite´ structurale

&

La construction me´tallique fait usage de mate´ riaux a` haute, voire ` s haute, re ´ sistance. Ainsi, la quantite´ de mate tre ´ riau « acier » requise en section pour transmettre un effort de compression donne´ est notablement plus faible que si le mate´riau e´ tait de faible re´sistance. Exemple. On ne saurait mieux illustrer cela qu’en imaginant de remplacer, dans le cadre d’une re´ novation de baˆtiment, un pilier en maçonnerie par un poteau en acier. Cette re´duction d’aire a pour ´ e le poteau en acier apparaıˆtra plus re´sultat qu’a` hauteur donne e´lance´ que le pilier en maç onnerie.

On comprend alors que l’instabilite´ structurale devienne une pre´ occupation majeure dans le domaine de la construction me´tallique. Elle concerne les divers types d’e´le´ments structuraux rencontre´s :

Ce qui vient d’eˆtre dit a` propos d’ un corps solide, donc suppose´ inde´formable – la bille en l’espe`ce –, est geńe´ralisable aux syste`mes structuraux de´formables, notamment aux structures dont le comportement est mat e´riellement e´ lastique.

– les barres , terme geńe´rique regroupant les e´le´ments longilignes, a` section simple ou composeé, dont la longueur est tre`s largement supe´rieure aux dimensions de la section transversale ; – les plaques et coques , e´ le´ments dont deux dimensions (longueur, largeur) sont tre`s largement supe´rieures a` la troisie` me (e´paisseur).

´ e ´ las- La the´ orie de la stabilite´ qui y correspond est la stabilite ` rement preóccupante lorsque tique . Cette dernie`re est particulie des phe´ nome` nes d’ instabilite´ sont susceptibles d’apparaı ˆ t re. Il est de`s lors clair que, si la stabil ite´ est le but a` atteindre, le traitement approprie´ des risques potentiels d’instabilite´ constitue un point de passage oblige´ . De` s lors, pour assurer la stabilite´ , il faut se pre´ munir contre l’instabilite´ . On comprend aise´ment, selon le point de vue adopte´, qu’on puisse tre`s souvent user de l’un ou l’autre de ces termes.

&

&

Le pre´sent dossier consiste en une introduction à l’instabilite´ structurale. On y identifie d’abord les pheńome`nes e´le´mentaires d’instabilite´ auxquels l’inge´ nieur de projet se trouve confronte´. On fait ensuite une bre`ve incursion dans un domaine plus conceptuel pour distinguer les types d’instabilite´ e´lastique et leurs caracte´ ristiques respectives. Enfin, on souligne ce qui diffe´rencie l’instabilite´ structurale, au sens donne´ plus haut, et l’instabilite´ e´lastique.

Dans les dossiers consacre´s aux instabilite´ s structurales, on ne pre´sente pas les de´tails de la stabilite´ e´lastique et on ne de´ veloppe pas davantage les diverses techniques susceptibles de fournir les re´sultats les plus directement utilisables pour l’ingeńieur de projet, a` savoir les expressions des charges critiques e´lastiques.

L’examen plus spe´ cifique des phe´ nome` nes d’instabilite´ e´le´mentaires est aborde´ dans des dossiers individuels faisant suite a` celui-ci. La se´quence de ceux-ci est de´termineé par le type d’e´le´ments structuraux concerne´. Ainsi, un de ces dossiers est consacre´ aux instabilite´s des barres [5], un autre traite des instabilite´s affectant les plaques , tandis que le dernier aborde les instabilite ´ s de coques (dossiers a` paraı ˆtre aux T.I).

Ils visent, par contre, a` aborder la stabilite´ dans un cadre plus large : celui des pie`ces « industrielles », sie`ges d’ine´vitables imperfections st ructurales et geóme´triques et faites d’un mate´ riau – en l’espe` ce les aciers de construction – dont le comportement n’est e´ lastique que dans un domaine limite ´ de son utilisation. On parle alors pluto ˆ t de stabilite´ structurale que de stabilite´ e´lastique.

´ s structurales e´ le ´ mentaires 1.3 Instabilite ´ est le terme ge´ ne´rique utilise´ pour de´signer un Le mot instabilite ensemble de pheńome`nes et ce, inde´ pendamment du type d’e´le´ment structural que ces pheńome`nes concernent. Des termes spećifiques sont utilise´s pour diffe´ rencier plus prećise´ ment les pheńome`nes d’instabilite´ e´le´mentaires. Ainsi, pour les barres, on trouve :

&

&

De´sormais, selon les termes de la plupart des normes et codes en vigueur, la pratique de la ve´rification de l a sećurite´ structurale se fonde sur le principe des e´ tats limites. Ceux-ci sont associe´s principalement a` :

– le flambement qui caracte´ rise l’instabilite´ propre a` un e´le´ment structural longiligne soumis a` compression axiale, de´signe´ geńe´ralement par colonne ou poteau ; ´ versement qui est l’instabilite´ propre a` un e´ le´ment longi– le de ligne soumis a` flexion autour de l’axe de forte inertie de sa section transversale, de´signe´ geńe´ralement par poutre ;

´ tats limites ultimes ), – des situations de ruine globale ou locale ( e correspondant a` un e´ puisement de la re´sistance – terme a` prendre au sens large ; – des conditions d’utilisation ou d’exploitation jugeés inaccepta´ tats limites de service ). bles ou inapproprie´ es ( e

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C 2 510 – 3

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Instabilite´ s structurales des barres Flambement et de´ versement ´ MAQUOI par Rene Ingeńieur civil des constructions Professeur e´me´rite de l’universite´ de Lie` ge

1.

Contexte ...........................................................................................

2.

´ sentation des instabilite ´ s des barres .................................... Pre

—

2

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Flambement par flexion................................................................. Charge critique e´lastique .................... ..................... ...................... .... Longueur de flambement................................................................... Imperfections geóme´triques .................. ...................... ..................... . Effets d’un domaine fini de comportement e´lastique........ ............... Effets des imperfections geóme´triques .................... ..................... .... Effets des contraintes re´siduelles ..................... ...................... ........... De´termination de la charge ultime de flambement par flexion........

— — — — — — — —

3 3 3 3 4 5 6 7

4. 4.1 4.2

Flambement par torsion et par flexion-torsion......................... Charges critiques e´lastiques .................. ...................... ..................... . De´termination de la charge ultime de flambement par torsion ou par flexion-torsion.........................................................................

— —

9 9

—

10

— — — — — — — — — —

11 11 11 11 14 14 14 15 16 17

5.3

´ versement des poutres.............................................................. De Geńe´ralite´ s............... .................... ...................... .................... ............. Moment critique e´lastique de de´versement..... .................... ............. 5.2.1 Cas de re´fe´rence .................... .................... ..................... ......... 5.2.2 Influence d’une mono-syme´trie de la section .................... .... 5.2.3 Influence d’un point de syme´trie ...................... ..................... . 5.2.4 Influence de la forme du diagramme des moments .............. 5.2.5 Influence du niveau d’application des charges transversales 5.2.6 Influence des conditions d’appui ............................................ 5.2.7 Restreintes interme´diaires........ ..................... ...................... .... 5.2.8 Expression ge´ ne´rale du moment critique e´ lastique de de´ versement ................................... ..................... ............... De´termination du moment ultime de de ´ versement. ..................... ....

— —

17 18

6.

Conclusion........................................................................................

—

19

5. 5.1 5.2


ＵＱＰＲｲ･ｩｲｶ￩ｦＺｮｯｩｴ｡､ｩｬ｡ｶ･ｲ￨ｩｮｲ･ｄＭＹＰＰＲｩ｡ｭＺｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

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C 2 511 – 2

Doc. C 2 511

orsqu’ils sont comprime´ s, sur tout ou partie de leur section transversale, les

L e´le´ments structuraux de type « barre » sont susceptibles de voir leur capacite´ portante affecte´ e par les pheńome` nes d’instabilite´ . S’agissant d’un e´le´ment comprime´ axialement (poteau), un tel pheńome` ne est de´signe´ « flambement ». Pour un e´le´ment soumis a` flexion (poutre) autour de l’axe de forte inertie de sa section transversale, sous l’action de moments d’extre´mite ´ et/ou de charges transversales, on parle plutoˆt de « de´versement ». L’instabilite´ se manifeste d’autant plus que l’e´lancement de la barre est important.

Dans le pre´sent dossier, on introduit les principes de base ayant conduit a` l’e´laboration des courbes adimensionnelles de flambement et de de´versement. La proce´ dure de mise en œuvre pratique de celles-ci dans le cadre de ve´rifications re´glementaires est de´veloppe´ e par ailleurs, plus prećise´ ment dans les dossiers traitant des composants de construction me´talliques comprime´s ou fle´ chis.


ＱＵ

C 2 511 – 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＱ ´ S STRUCTURALES DES BARRES INSTABILITE ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1. Contexte

Ｑ

La compression est la sollicitation susceptible de ge´ ne´ rer l’instabilite´ structurale. On a ainsi vite fait l’inventaire des proble`mes e´le´mentaires pre´sente´ s par les barres qu’il importe d’aborder ici.

Pour l’ e´tude de la capacite´ portante d’un e´ le´ment structural, on suppose, d’abord, l’e´le´ment ideálement parfait. Sa re´sistance est alors donneé, soit par la re´sistance en section, de´termineé sur base d’un comportement e´lastique-parfaitement plastique, soit par la charge critique e´lastique. Ces deux quantite´ s constituent les bornes supe´rieures de la re´ ponse structurale des e´ le´ments de fabrication industrielle, qui est cette fois affecteé par les effets de´favorables des imperfections ge ´ ome ´ triques et structurales ine´vitablement pre´sentes.

&

Il y a tout d’abord la compression axiale ou suppose´ e telle. On la rencontre notamment dans les poteaux d’ossatures contreventeés, dans certaines barres des poutres en treillis a` nœuds pre´ sume´s articule´s, dans certaines barres de contreventement,… La compression strictement axiale est assez rare en pratique. Elle est assez fre´ quemment accompagneé de flexion en raison, soit de moments d’extre´ mite´ parasites dus a` d’ine´ vitables restreintes (voir Nota) au niveau des assemblages, soit de forces transversales (poids propre, actions du vent …), voire d’une combinaison de ces deux effets.

Pour de grands e´ lancements, le comportement est pour ainsi dire e´lastique et la capacite´ portante tend vers la valeur de la charge critique e´lastique de flambement, pour les poteaux, ou celle du moment critique e´lastique de de´versement, pour les poutres.

Dans de tre`s nombreux cas, ces sollicitations additionnelles sont suffisamment faibles pour pouvoir eˆtre ne´gligeés, a` tout le moins sous sollicitations statiques. Ceci justifie donc amplement l’examen du comportement des barres sous compression axiale. Le pheńome`ne d’instabilite´ associe´ est de´signe´ sous l’appellation flambement . Plus pre´ cise´ment, le flambement peut se manifester sous diverses formes selon les spećificite´s de l a section transversale. Ainsi, on distingue :



Dans le domaine des faibles e´lancements, les effets de l’instabilite´ sont plus que compense´s par les effets d’ećrouissage du mate´ riau et la capacite´ portante est alors donneé par la re´sistance en section. Le domaine des e´lancements mode´re´s couvre la plupart des situations rencontreés en pratique ; c’est celui ou ` les effets des imperfections se marquent le plus. La capacite´ portante y re´sulte d’une interaction prononce ´ e entre plastification et instabilite´ e´lastique.

– flambement par flexion , ou` la pie` ce comprime´ e quitte sa position initialement rectiligne pour flećhir dans un des plans principaux d’inertie de la section droite ; – flambement par torsion , pour lequel l’axe longitudinal de la pie`ce comprimeé conserve sa position initialement rectiligne, tandis que chaque section transversale tourne autour de cet axe ; – flambement par flexion-torsion , qui consiste en un flambement interactif associant les deux types de flambement prećite´s et se manifeste donc sous la forme de de´formations conjointes de flexion et de torsion.

Selon les proprie´te´s de la section transversale, le fl ambement des poteaux peut survenir sous diverses formes : par flexion autour d’un des axes principaux d’inertie (flambement par flexion), par torsion autour de l’axe longitudinal (flambement par torsion), ou selon un mode associant de´formations de flexion et de torsion (flambement par flexion-torsion). Le de´versement est une instabilite´ spatiale associant une flexion d’axe faible et une torsion.

Chacune de ces formes de flambement est caracte´ riseé par une charge critique e´lastique de´signe´ e N cr pour le flambement par flexion, N cr,T pour le flambement par torsion et N cr,TF pour le flambement par flexion-torsion. Selon le type et la ge´ ome´trie de la section transversale, soit la charge critique e´lastique de flambement par torsion, soit celle de la charge critique e´lastique de flambement par fl exion-tor sion peut eˆtre trouve´ e infe´ rieure a` la charge critique e´lastique de flambement par flexion. Il en re´ sulte que la maı ˆtrise du seul flambement par flexion peut eˆtre cause de de´boires.



La re´sistance ultime des poteaux/poutres est obtenue comme une peńalisation apporteé a` la re´sistance axiale/en flexion de la section transversale par le biais d’un coefficient de re´duction au flambement/de´ versement. La valeur du coefficient de re´duction s’obtient en fonction de l’e´ lancement de flambement/de´ versement a` partir des expressions analytiques de courbes de flambement et/ou de de´versement adimensionnelles. Il y a diverses courbes de flambement/de´versement qui traduisent, en particulier, les effets variables, sur la capacite´ portante, des contraintes re´ siduelles selon la massivite´ des sections, leur mode d’e´laboration, l’axe de flexion (pour le flambement) et la nuance d’acier. Le choix de la courbe a` appliquer dans une situation donneé se fait a` partir d’une table de se´lection faisant intervenir les parame` tres prećite´ s.

Nota. Le substantif de´ rive´ du verbe « restreindre » est « restriction ». Parce que, d’une part, ce dernier terme refle` te plutoˆ t imparfaitement le sens voulu ici et, d’autre part, afin d’e´viter l’usage d’une pe´riphrase, le terme « restreinte » – qui ne semble pas exister dans la langue française – est creé´ pour la circonstance, par analogie avec son correspondant anglo-saxon « restraint ».

&

Les profile´ s lamine´ s a` chaud a` section doublement syme´ trique sont particulie`rement enclins au flambement par f lexion. Le flambement par torsion reveˆt un caracte`re plutoˆt acade´mique ; il se manifeste dans les e´ le´ments a` section doublement syme´ trique et pre´sentant une grande raideur flexionnelle associe´ e a` une faible raideur torsionnelle.

´ sentation 2. Pre des instabilite´ s des barres

Le flambement par flexion-torsion est de´ terminant dans le cas de barres a` section ouverte et a` parois minces – donc a` faible raideur torsionnelle – pre´sentant un centre de gravite´ nettement distinct du centre de cisaillement.

Les principes geńe´raux des instabilite´s structurales ont e´te´ dećrits dans un premier dossier [6]. Autant que faire se pouvait, l’expose´ en est reste´ au plan des concepts de base et il n’a e´ te´ fait appel a` un phe´ nome`ne particulier d’instabilite´ qu’a` titre d’illustration de la matie`re traite´ e.

On notera que les profils creux, de forme rectangulaire ou circulaire, sont, en raison de leur section ferme ´ e, dote ´ s d’une tre`s grande raideur torsionnelle et pe´ rissent normalement en flambement par flexion.

Le pre´sent dossier aborde les instabilite´s propres aux barres, c’est-a`-dire aux e´le´ments structuraux longilignes dont la longueur est grande vis-a ` -vis des dimensions de la section transversale. D’autres dossiers traiteront des instabilite´s propres aux plaques et aux coques, e´le´ments structuraux dont deux dimensions sont grandes vis-a` -vis de la troisie` me, a` savoir l’e´ paisseur.

C 2 511 – 2

On rappellera enfin que l’ e´lancement (voir Nota) est le parame`tre le plus important re´gissant le pheńome`ne de flambement , quelle que soit la forme prise par celui-ci. Le danger de flambement sera donc d’autant plus grand que l’e´ lancement de la pie`ce comprime´ e est important.

Toute reproduction s ans autorisation du C entre frança is d’exploitatio n du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I.

ＱＶ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＱ ´ –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– INSTABILITES STRUCTURALES DES BARRES

Le flambement est la premie`re des instabilite´ s structurales rencontre´ es dans les barres.

toujours des conditions d’appui e´lastiques correspondant a` des situations interme´diaires aux preće´dentes en termes de de´placement transversal relatif des extre´ mite´s, d’une part, et des rotations d’extre´ mite´ , d’autre part.

Nota. Le t erme e´ lancemen t est utilis e´ commune´ ment pou r tous l es phe´ nome` nes d’ins tabilite´ structurale. La manie`re de le de´finir, et donc de l’exprimer mathe´ matiquement, re´pond a` un meˆme concept, mais varie toutefois quelque peu selon le pheńome`ne e´tudie´.

Le concept de longueur de flambement peut eˆtre geńe´ralise´ au cas du poteau charge´ axialement mais soumis a` effort axial variable et/ou de section non uniforme sur la longueur. Il est alors nećessaire d’adopter des valeurs de re´fe´rence de l’effort axial et/ou de la rigidite´ flexionnelle (par exemple la valeur maximale de l’effort de compression, la raideur flexionnelle la plus faible) pour exprimer les re´ sultats.

&

Dans un e´le´ment structural soumis a` flexion, une partie de la section transversale est soumise a` des contraintes de compression, ce qui le rend propice au pheńome`ne d’instabilite´ spećifique aux ´ versement . Le danger de de´versement sera pie`ces fle´ chies : le de d’autant plus grand que l’e´lancement de la pie`ce flećhie est important. Le de´versement est la seconde des instabilite´s structurales rencontre´ es dans les barres.

´ ome ´ triques 3.3 Imperfections ge

Par souci de simplicite´ , on de´ signera, dans la suite, par poteau , l’e´ le´ment structural comprime´ axialement, et par poutre , l’e´ le´ ment structural sollicite´ en flexion. Ces raccourcis de langage ne doivent pas occulter le fait que les poteaux, respectivement les poutres, ne se re´duisent pas a` la seule position verticale, respectivement horizontale, que ces termes pourraient e´ventuellement inspirer.

On a vu pre´ ce´demment [6] que, pour un poteau ideál , donc initialement parfaitement rectiligne et charge´ strictement axialement, tout de´placement transversal du poteau ne peut survenir que lorsque la charge atteint sa valeur critique P cr . Pour P < P cr , on suit la trajectoire fondamentale d’e´quilibre et le poteau ne subit que des de´placements exclusivement axiaux.

Le pre´sent dossier aborde donc a` la fois le flambement et le de´versement.

´ ome ´ triquement imparfait a` deux Un poteau peut eˆ tre ge e´ gards : – soit, il est charge´ axialement, mais il est affecte´ d’une de´forme´ e initiale w 0( x ) ; – soit, il est initialement parfaitement rectiligne, mais l’effort de compression agit avec une excentricite´ e 0 suppose´ e constante.

3. Flambement par flexion 3.1 Charge critique e´ lastique

Pour ce qui suit, on se re´fe`re au poteau a` section uniforme avec deux appuis simples d’extre´ mite´. Ceux-ci autorisent une libre rotation de flexion et ne peuvent subir de de´placement diffe´rentiel dans la direction perpendiculaire a` l’axe du poteau. Les conclusions qualitatives qui seront tire´ es plus loin peuvent eˆtre geńe´ralise´ es a` tout autre type de poteau.

Un poteau ideál a` section uniforme doublement syme´ trique et charge´ axialement a` ses extre´ mite´ s en compression peut flamber par flexion autour de l’un des axes principaux de sa section transversale sous une charge critique e´ lastique, dite aussi « charge critique d’Euler » : P cr =

avec

2

El aL 2

p

ð Þ

(1)

L

longueur physique du poteau, appeleé « longueur d’e´ pure »,

El

raideur flexionnelle mobiliseé lors du flambement,

a

facteur traduisant l’influence des conditions d’appui aux extre´ mite´ s du poteau.

&

´ ome ´ triquement imparfait , e´voDans les deux cas de poteau ge que´s plus haut, le poteau est, non seulement comprime´ par l’effort applique´, mais aussi flećhi. Au premier ordre, c’est-a`-dire par rapport a` la configuration initiale du poteau, le moment de flexion, dit moment primaire , vaut Pw 0( x ) dans le premier cas, et Pe 0 dans le second cas.

Chacun de ces moments a e´videmment pour effet d’entraı ˆner une de´formeé transversale du poteau, ce qui produit un incre´ment de de´forme´ e et accroı ˆt d’autant le moment sollicitant. La majoration du moment creé un nouvel incre´ment de de´formeé et, donc, de moment et le processus se re´pe`te (figure 1a ).

Le mode critique d’instabilite´ pour un poteau avec appuis simples a` ses deux extre´mite´ s est une demi-onde de sinusoı ¨de.

Pour l’effort P applique´, le poteau est dit « stable » si la se´ rie des incre´ments successifs de la de´formeé converge vers une valeur finie. Dans le cas contraire, le poteau est dit « instable ».

3.2 Longueur de flambement Habituellement, on de´signe par a L la longueur de flambement (voir Nota) L fl , a` savoir la longueur d’un poteau fictif de meˆme section transversale que le poteau reél, simplement appuye´ a` ses extre´mite´s, qui a meˆme charge critique e´lastique que le poteau reél. La longueur de flambement est souvent introduite comme la distance entre deux points d’inflexion conse´ cutifs de la configuration du mode critique d’instabilite´ (e´ventuellement situe´(s) pardela` la longueur du poteau). Une telle de´finition, assez commode au plan didactique parce qu’elle confe` re un sens physique, a toutefois ses limites et ne peut eˆ tre admise en toute ge´ ne´ralite´ .

P

P

P

P cr

P cr

P cr

w 0 =

1 w 0 = w 0 <

Le facteur a est dit coefficient de longueur de flambement .

0

0

w 0 =

w 0 >

0

w 0 <

w add

Nota. Dans la litte´rature, on trouve aussi le symbole L cr pour de´signer cette longueur de flambement.

a

Les appuis du poteau servant de cas de re´fe´rence sont deux appuis simples (a = 1), deux encastrements ( a = 0,5), la combinaison appui simple-encastrement ( a ª 0,7) et la combinaison encastrement- extre´ mite´ libre (a = 2). Un poteau extrait d’une structure a

charge-déplacement additionnel

w 0 =

1

0 0

w 0 b

0

e 0 =

1

0

e 0 = w 0 >

w 0

0

e 0 <

0

e 0 >

Poteau avec déformée initiale

0

w

w add + w 0

charge-déplacement total

0

0

c

Poteau chargé excentriquement

Figure 1 – Trajectoires d’e´ quilibre


ＱＷ

C 2 511 – 3

Ｑ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＱ ´ S STRUCTURALES DES BARRES INSTABILITE ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Dans le cas d’une de´ forme´ e initiale similaire au mode critique d’instabilite´ , soit une demi-onde de sinusoı ¨de, la de´forme´ e additionnelle, sous l’action d’un effort P , s ’ećrit :

&

w add x =

ðÞ

P w x P cr - P 0

ðÞ

flexion de` s le de´but de la mise en charge (figure 1c ). La trajectoire d’e´quilibre e´volue de manie`re similaire a` celle obtenue pour le poteau a` de´forme´ e initiale, sous re´serve de se re´fe´rer, pour ce dernier cas, a` la courbe de la de´ forme´ e additionnelle.

(2) &

On remarquera que les facteurs d’amplification, relatifs aux deux cas examine ´ s plus haut, sont formellement diffe´rents selon que l’imperfection geóme´trique est une de´formeé initiale ou une excentricite´ de la charge. Toutefois, en termes de valeurs, ils se diffe´ rencient peu dans le domaine des rapports P / P cr susceptibles d’eˆtre rencontre´s en pratique, soit infe´rieurs a` 0,5. Ceci justifie que l’on ait souvent assimile´ le second au premier et retenu la seule forme (5).

de sorte que la de´formeé totale vaut : P cr w x P cr - P 0

w x = w 0 x + w add x =

ðÞ

Ｑ

ðÞ

ðÞ

ðÞ

(3)

Le moment re´ sultant vaut : M x = Pw x

ðÞ

ðÞ

soit, de manie`re plus explicite :

P cr P cr M x = Pw 0 x = M x P cr - P P cr - P 0

ðÞ

avec

ðÞ

M 0(x )

ðÞ

3.4 Effets d’un domaine fini de comportement e´ lastique

(4)

Le diagramme contrainte-de´ formation tire´ d’un essai standardise´ de traction sur un acier de construction est classiquement ideálise´ par une loi bi-line´ aire ( figure 2 ). Le comportement e´lastique, repre´sente´ par la droite de Hooke, de pente e´ gale au module d’e´lasticite´ E de l’acier, est suivi d’un comportement plastique, traduit par le palier d’ordonne´ e e´gale a` la limite d’e´lasticite´ f y de l’acier. On ´ lastique-parfaitement plastique . parle alors d’un comportement e Ce faisant, on ne´glige tout effet d’ećrouissage, et on admet le mate´ riau suffisamment ductile pour que la longueur du palier plastique ne soit pas particulie` rement preóccupante.

moment de flexion primaire introduit plus haut.

Le facteur multiplicateur de ce moment primaire, appele´ facteur d’amplification , s’e´ crit donc : M x P cr 1 = = P M 0 x P cr - P 1P cr

ðÞ ðÞ

(5)

Il apparaı ˆt clairement qu’il n’a de sens physique que si P < P cr . Le flambement d’un poteau pre´sentant une de´formeé initiale se produit selon un mode d’instabilite´ qui ne proce`de pas de la bifurcation de l’e´quilibre en raison de l’existence de moments de flexion de` s le de´but de la mise en charge. On parle plutoˆt de flambement par « d ivergence de l’e´quilibre ». Dans le contexte d’une analyse lineáire du flambement, le de´placement transversal tend progressivement vers l’infini lorsqu’on approche de la charge critique (figure 1 b ).

Le comportement du poteau ideál fait d’un acier « e´ lastiqueparfaitement plastique » reste e´ lastique aussi longtemps que la contrainte uniforme en section s n’atteint pas la l imite d’e´ lasticite´ f y. La charge ultime P u d’un tel poteau est donc conditionneé par la charge critique d’instabi lite´ e´lastique P cr = p2 E I / L2f l , lorsque s < f y, plafonne´ e a` la re´sistance axiale plastique en section P y = Af y , ou` A de´signe l’aire de la section transversale :

&

Dans le cas d’une excentricite´ (constante) de la charge de compression applique´ e, la de´formeé totale sous l’action d’un effort P s’e´ crit :

&

w x = e 0 tg

ðÞ

ð

kL sin kx + cos kx - 1 2

P u = min P y , P cr

½

(6)

Þ

&

avec : k 2 =

P EI

Plus particulie` rement, a` mi-longueur, ou`, par syme´trie, la de´formeé pour a = 1 atteint sa valeur maximale, on a, compte tenu de l’e´ quation (1) :

    r ffiffi ffi ffi ffi 

w

L p = e 0 sec 2 2

P -1 P cr

(11)

La charge critique e´ lastique de flambement s’e´ crit : P cr =

(7)



p

2

El

L2f l

2 EA p EA = 2 l2 Lfl / i

p

=

2

ð

Þ

(12)

ou` l’e´lancement ge´ ome´ trique l , rapport entre la longueur de flambement Lfl et le rayon de giration i = I / A pour le sens de flambement conside´ re´, est :

p ffiffi ffi ffi ffi

(8)

l =

Lfl i

(13)

On notera que, mathe´matiquement, la de´formeé w (x ) est positive, si l’excentricite´ e 0 est ne´gative, et vice-versa. σ

Le moment de flexion maximum est obtenu selon :

f y

L L M = Pw 2 2



ð Þ + P e 0

soit : M L / 2 = Pe 0 sec

ð Þ

 r ffiffi ffi ffi ffi p

2

P P cr

(9)

Le facteur d’amplification du moment primaire Pe 0 vaut ici :

 r ffiffi ffi ffi ffi

M L / 2 p = sec 2 Pe 0

ð Þ

P P cr

E

(10) ε

&

Tout comme dans le cas du poteau a` de´forme´ e initiale, l’instabilite´ du poteau rectiligne charge´ excentriquement ne proce` de pas par bifurcation d’e´ quilibre en raison de l’existence de moments de

C 2 511 – 4

´ pour un acier Figure 2 – Diagramme contrainte-de´ formation ide´ alise structural


ＱＸ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＲ

Instabilite´ s structurales des plaques Voilement Ｑ

´ MAQUOI par Rene Professeur e´me´rite de l’universite´ de Lie`ge Ingeńieur civil des constructions

1. 1.1 1.2 1.3 1.4

Notions de « plaque » et de « voilement » ................................ Le composant « plaque » ................................................................... Actions sollicitant les plaques ........................................................... Instabilite´s dans les plaques...... ..................... ...................... ............. Dimensionnement d’une structure en plaques .................. ...............

2. 2.1 2.2 2.3

The´ orie e´ lastique line´ aire de la flexion des plaques ................ Action de forces transversales .......................................................... Action additionnelle de forces agissant dans le plan ....................... Conditions d’appui flexionnelles ..................... ..................... .............

— — — —

4 4 5 7

3. 3.1 3.2

3.3

Voilement des plaques ................................................................... Voilement et charge critique e´lastique de voilement........ ................ De´termination des charges critiques e´lastiques de voilement.. ....... 3.2.1 Me´thode asymptotique ................... ..................... ................... 3.2.2 Inte´gration analytique de l’ e´quation aux de´rive´ es partielles . 3.2.3 Me´thode de l’eńergie ............................... ..................... .......... E´quations f ondamentales du voilement e´lastique non lineáire .......

— — — — — — —

7 7 7 7 7 8 8

4. 4.1 4.2 4.3 4.4

Charges critiques de voilement e´ lastique.................................. Sous sollicitations e´le´mentaires .................. ...................... ................ Sous combinaison de sollicitations e´le´ mentaires........ ..................... Sous charge transversale concentreé ..................... .................... ....... Outils de de´termination des charges critiques .................................

— — — — —

9 9 10 10 11

5. 5.1 5.2 5.3

Charges ultimes de voilement ...................................................... Analyse du concept de charge critique ............................................. De´termination des charges ultimes de voilement ............................ Comparaison des comportements respectifs d’un poteau et d’une plaque .................................................................................. 5.3.1 Poteau soumis a` compression uniforme ................... ............. 5.3.2 Plaque soumise a` compression uniforme .............................. 5.3.3 Comportement type « plaque » ou « poteau » .......................

— — —

11 11 12

— — — —

12 12 13 14

` les a` la ruine pour le voilement des plaques ................... Mode Mode`le pour sollicitation sous contraintes normales uni-axiales.... 6.1.1 Plaque parfaite en compression uniforme ............................. 6.1.2 Plaque imparfaite en compression uniforme ................... ...... 6.1.3 Plaque imparfaite soumise a` distribution line´ aire de contraintes normales.......................................................... 6.1.4 Proce´dure normative de la EN 1993-1-5 ................................. Mode`le pour sollicitation de cisaillement ..................... .................... 6.2.1 Re´trospective des mode ` les ............................. .................... .... 6.2.2 Proce´dure normative de la EN 1993-1-5 ................................. Mode`le pour voilement sous charge concentreé .................... .......... 6.3.1 Re´trospective des mode ` les ............................. .................... .... 6.3.2 Proce´dure normative de la EN 1993-1-5 ....................... .......... 6.3.3 Extension aux a ˆ mes raidies longitudinalement .....................

— — — —

15 15 15 16

— — — — — — — — —

16 16 17 17 19 20 21 23 24

7.

Pr oce´ dure unifie´ e d’e´ valuation des charges de ruine .............

—

24

8.

Conclusion........................................................................................

—

24

6. 6.1

ＵＱＰＲｲ･ｩｲｶ￩ｦＺｮｯｩｴ｡､ｩｬ｡ｶ･ｲ￨ｩｮｲ･ｄＭＰＱＰＲｩ｡ｭＺｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

6.2

6.3

Pour en savoir plus ..................................................................................

Toute reproduction sans autorisation d u Centre franç ais d’exploit ation du droit de copi e est strictement interdite. – © Editions T.I.

ＱＹ

C 2 512 – — — — —

2 2 2 3 4

Doc. C 2 512

C 2 512 – 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＲ ´ S STRUCTURALES DES PLAQUES INSTABILITE –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

out e´ le´ment structural de type « plaque » initialement plan et soumis a` des

T efforts agissant strictement dans son plan est susceptible de quitter cette

Ｑ

configuration et de flećhir transversalement lorsque la sollicitation induit des contraintes de compression dans tout ou partie de la plaque. Ce phe´ nome`ne, appele´ « voilement », survient lorsque la sollicitation atteint un seuil critique et il gouverne alors la capacite´ portante. Une plaque est d’autant plus propice au voilement que son e´lancement, mesure´ par le rapport largeur/e´paisseur, est e´leve´. La compression source de cette instabilite´ re´sulte, soit de l’action directe d’une distribution de contraintes normales, soit de la composante de compression des contraintes principales lors que la plaque est sollicite´ e en cisaillement. La capacite´ portante d’une plaque est influence´ e par les imperfections geóme´- triques (de´faut de planeíte´) et structurales (contraintes re´siduelles) et par la limite d’e´lasticite´ du mate ´ riau constitutif. Les imperfections ont un roˆle de´favorable. Dans le pre´sent dossier, on introduit, d’une part, les principes de base re´gissant la flexion transversale et le voilement des plaques et, d’autre part, les mode`les a` la ruine qui constituent de´sormais le fondement des clauses normatives. Cet article fait suite aux [C 2 510] et [C 2 511] parus ensemble en 2009.

1. Notions de « plaque » et de « voilement »

a b

O

1.1 Le composant « plaque »

x

De manie`re simpliste, une plaque peut eˆtre de´finie comme un composant structural dont l’une des trois dimensions, dite « e´ paisseur », est faible vis-a ` -vis des deux autres. Il s’agit, en principe, d’un eˆ tre structural plan, entendant par la` que le plan moyen, surface situeé a` mi-e´paisseur, est admis initialement parfaitement plan.

t

y

Pour e´viter des complications mathe ´ matiques inutiles, on se borne a` ne conside´rer ici que les plaques dont, a` la fois :

z

Figure 1 – Plaque rectangulaire et son repe ` re de coordonne´ es

– l’e´ paisseur t est constante ; – la forme est rectangulaire et de´finie par la longueur a et la largeur b ; – le mate´ riau constitutif – les aciers de construction en l’espe` ce – est admis homoge`ne et isotrope.

y

Ces conditions ne constituent pas, a` proprement parler, des restrictions de`s lors qu’on les rencontre le plus souvent, ou qu’on les approche suffisamment, dans la pratique de la construction me´tallique. Le plan moyen de´fini plus haut sert de plan de re´fe´rence Oxy (figure 1 ) et les axes x et y sont assez naturellement oriente´s, respectivement selon la longueur et la largeur. La direction z , perpendiculaire a` ce plan, est ainsi dirige´ e selon l’e´paisseur de la plaque.

x z Figure 2 – Plaque sollicite´ e par des forces transversales a ` son plan moyen

1.2 Actions sollicitant les plaques

direction z (les dalles de plancher ou de toiture en sont des exemples). Elle assure alors un roˆ le similaire a` celui d’une poutre, si ce n’est qu’elle de´veloppe un comportement bi-axial et non monoaxial en flexion.

On en rencontre surtout deux types. ` son plan Une plaque peut supporter des forces transversales a moyen, assez souvent gravitaires (figure 2 ), donc dirige´ es selon la

&

C 2 512 – 2


ＲＰ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＲ ´ ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– INSTABILITES STRUCTURALES DES PLAQUES

&

Par ailleurs, une plaque peut eˆtre soumise a` des forces membranaires, ainsi appele´ es parce que leurs re´sultantes s’exercent cette fois dans le plan moyen de la plaque.

d’e´quilibre indiffe´rent. Elle peut, soit rester plane, soit sortir de son plan et prendre ainsi une configuration d’e´quilibre a` l’e´ tat de´forme´ . La forme voileé, repre´sente´ e par ses lignes de niveau a` la figure 4 a , concerne toute l’e´ tendue de la plaque puisque celle-ci est partout comprime´ e.

Donc, si l’on ne´ glige l’e´ paisseur des semelles devant la hauteur d’aˆme d’une poutre e´troite en caisson soumise a` flexion positive (M > 0) autour d’un de ses axes principaux, chacune des quatre parois (aˆmes, semelle infe´rieure, semelle supe´rieure) constituant la section est solliciteé dans son plan moyen par une distribution uni-axiale de contraintes normales constantes sur l’e´paisseur :

La compression « directe » se rencontre e´galement lorsque la plaque est soumise a` flexion mode ´ reé puisqu’une zone de la plaque est alors soumise a` compression s x (y ) d’intensite´ variable sur la largeur de cette zone (figure 5a ) a` partir d’une intensite´

– compression uniforme dans la semelle supe´rieure ; – traction uniforme dans la semelle i nfe´rieure ; – flexion pure ou compose´ e dans l’aˆ me.

x

Le moment de flexion M est normalement accompagne´ d’un effort tranchant V (figure 3a ) ; celui-ci est principalement repris par les aˆmes. Les parois agissent donc respectivement a` la manie`re d’une barre comprimeé, d’une barre tendue et de poutres fle´ chies a` la diffe´rence pre` s qu’elles pre´ sentent ici encore, en raison de leurs proportions, un comportement bi-axial et non plus mono-axial.

s x

s x

y

´ dans les plaques 1.3 Instabilite

a

De meˆme qu’une barre comprimeé peut flamber, une plaque peut voiler lorsque sa sollicitation exte´rieure geńe`re localement (figure 3b ), ou globalement, des efforts inte´rieurs de compression, en conformite ´ avec le principe selon lequel « qui dit compression dit instabilite´ potentielle ».

compression uniforme t

x

t

t

&

Il est e´ vident qu’une plaque rectangulaire appuyeé sur son pourtour et solliciteé en compression uniforme d’intensite´ s x , selon la direction x , est en danger de voilement parce que des efforts inte´ rieurs de compression s x cheminent selon x . On peut envisager de parler ici de compression « directe » parce que visible au travers de la sollicitation exte´ rieure (figure 4a ). Pour une certaine valeur s x,cr de la contrainte de compression, la plaque se trouve dans un e´ tat

– s

s

45° t

y b

cisaillement uniforme

` Figure 4 – Plaque rectangulaire soumise a ` compression uniforme et a cisaillement dans son plan

y

s x ,1 < 0

s x ,1 < 0

x

x

O a

s x ,2

moment accompagné d’un effort tranchant v y

s x ,2

y a

distribution des contraintes normales de flexion

s x ,1,cr

s x ,1,cr

x

x

O

s x ,2,cr b

charge concentrée appliquée sur un bord

s x ,2,cr

y b

Figure 3 – Plaque rectangulaire sollicite´ e par des forces membranaires

état d’équilibre voilé

` flexion pure dans son plan Figure 5 – Plaque soumise a


ＲＱ

C 2 512 – 3

Ｑ


maximale s x ,1 (valeur absolue). Si l’on amplifie cette sollicitation, la distribution des contraintes reste homothe´tique mais croı ˆ t en intensite´. Pour une certaine valeur s x ,1,cr de la contrainte maximale de compression, la plaque se trouve dans un e´tat d’e´quilibre indiffe´rent et peut voiler. Les lignes de niveau de la forme voileé repre´ sente´ e a` la figure 5b se concentrent principalement dans la zone comprimeé de la plaque et n’affectent que peu la zone tendue.

Exemples. Dans les structures de ge´ nie civil, les plaques rencontreés sont tre`s geńe´ralement soumises, soit a` des forces transversales a` leur plan, soit a` des forces membranaires. L’action concomitante des deux types de sollicitations n’y est pas la re` gle. Ce n’est pas le cas dans la construction navale ou` les bordages de navire doivent, a` la fois, re´sister a` la pression hydrostatique et aux efforts de flexion/torsion d’ensemble de la coque.

&

Ｑ

S’agissant de plaque, l’e ´ tat de sollicitation interne est par essence bi-axial. Il est donc utile de raisonner en termes de contraintes principales. Ainsi, pour une meˆme plaque soumise, cette fois, a` cisaillement pur d’intensite´ de contrainte t (figure 4 b ), on sait, en vertu du cercle de Mohr, que cet e´ tat de sollicitation e´quivaut a` un e´tat de contraintes principales e´gales a` t en valeur absolue mais de signes oppose´s, agissant selon les directions incline´ es a` 45 sur les facettes de cisaillement pur (figure 4 b ). C’est ici la compression principale diagonale, non directement exte´rioriseé par la repre´sentation habituelle de la sollicitation exte´ rieure, qui constitue la source potentielle du voilement d’une plaque en cisaillement. On pourrait donc, en l’espe`ce, parler de compression « indirecte ».

Ici, on examine exclusivement les aspects du voilement des plaques soumises a` des sollicitations membranaires.

1.4 Dimensionnement d’une structure en plaques



De la meˆme manie`re qu’il est d’usage de dimensionner une ossature en ve´rifiant individuellement les e´le´ments structuraux (poutre, poteau) qui la composent, moyennant la prise en compte de conditions d’ extre´ mite´ approprie´ es, on dimensionne une structure en plaques en ve´rifiant individuellement les plaques qui la composent.

Le voilement peut survenir pour une valeur t cr de la sollicitation, a` laquelle correspond une valeur s cr de la contrainte principale de compression. La forme voileé est repre´senteé par des lignes de niveau qui s’« e´tirent » selon une direction proche de celle de la diagonale comprimeé et se concentrent sur une bande pseudo-diagonale (figure 4 b ).

Toute plaque est soumise a` des conditions aux l imites sur son pourtour. Si l’on isole une plaque de la structure a` laquelle elle appartient, ces conditions traduisent donc physiquement les maintiens procure´ s a` cette plaque par le reste de la structure. Pour des raisons de stabilite´, et donc de re´sistance, une plaque peut eˆ tre raidie.

&

Lorsque l’intensite´ de la compression – directe ou indirecte – atteint un niveau suffisant, la plaque peut donc quitter sa position plane initiale et prendre une de´ forme´ e transversale, c’est-a`-dire selon l’axe z . Ce danger est d’autant plus grand que la plaque est e´lanceé. L’e´lancement de voilement est mesure´ par le rapport b / t entre la largeur b (plus pre´ cise´ ment la dimension b de la plaque dans la direction perpendiculaire a` celui de la sollicitation sous contraintes normales) et l’e´paisseur t . Il joue, dans le voilement d’une plaque, le meˆ me roˆ le que l’e´lancement de flambement L fl / i pour un poteau comprime´ axialement.

L’eˆtre geńe´rique appele´ « plaque » peut alors de´signer une partie non raidie de la toˆle (sous-panneau), comprise entre raidisseurs/bords, tout autant que la plaque raidie en tant que telle (panneau). Dans la mesure ou` il est parfois difficile d’assimiler les raidisseurs a` des supports inde´ formables, on peut eˆtre amene´ a` examiner se´pare´ment les sous-panneaux (non raidis) et les panneaux (raidis).

&

Le proce´de´ moderne de montage des ponts me´talliques par lançage pose par ailleurs le proble`me de la re´ sistance a` une force transversale membranaire concentre´ e (en anglais « patch loading »). La force transversale dont il s’agit ici est, par exemple, une reáction d’appui qui, appliqueé en phase de construction a` la face infe´ rieure d’une poutre de pont, doit diffuser dans l’aˆme. Elle est en principe appliqueé dans le plan de l’aˆ me, mais selon la direction y , a` savoir perpendiculairement a` l’axe de la poutre, et induit clairement une compression locale sous la charge.

Cet article ne s’adresse qu’aux plaques non raidies. On y introduit, d’une part, les principes de base re´ gissant la flexion tranversale et le voilement des plaques et, d’autre part, les mode`les a` la ruine qui constituent de´sormais le fondement des clauses normatives.

´ aire 2. The´ orie e´ lastique line de la flexion des plaques

Si l’usage est de parler en l’espe`ce de force concentre´ e, la pratique est plutoˆt de conside´rer qu’il s’agit d’une force d’intensite´ souvent importante mais appliqueé sur une longueur de distribution pouvant eˆtre faible, comparativement a` la longueur de la poutre. Cette force est e´quilibre ´ e par les efforts tranchants (figure 3 b ).

Le voilement d’une plaque se manifeste donc par l’apparition d’une de´ formeé transversale au plan moyen. Il entraı ˆ ne une flexion de la plaque hors de son plan et est gouverne´ par l’e´ quation fondamentale de la flexion e´lastique des plaques.

Alors que, pour la barre comprimeé axialement, la charge critique e´ lastique de flambement constitue une borne supe´rieure de la capacite´ portante, le comportement bi-axial des plaques permet a` celles-ci, dans certaines circonstances, de de´velopper une re´sistance postcritique significative et d’atteindre une charge de ruine pouvant largement de´passer la charge critique e´lastique de voilement.

En theórie e´ lastique lineáire, l’e´ quilibre est ećrit par re´ fe´ rence a` la configuration non encore de´forme´ e.

2.1 Action de forces transversales

Il existe, bien su ˆ r, des situations pour lesquelles une plaque est soumise a` une distribution de contraintes normales membranaires, a` la fois selon les directions x et y . Un tel cas de distribution biaxiale n’est qu’assez exceptionnellement rencontre´ dans les constructions civiles et il se traite alors le plus souvent par le biais de relations d’interaction entre les composantes uni-axiales respectives de la distribution. C’est pourquoi, dans la suite, on se borne a` n’examiner que le cas de distribution uni-axiale de contraintes normales membranaires.

&

C 2 512 – 4

Lorsqu’on aborde la theórie e´lastique de la flexion des plaques [1], le mate´riau est suppose´ avoir un comportement inde´finiment e´lastique. Il est donc caracte´rise´ par un diagramme contrainte/de´formation, dit « diagramme t - e », line´ aire dont la pente est donneé par le module d’e´lasticite´ E du mate´riau. Il est d’usage d’e´tudier une poutre en flexion en la ramenant a` son axe x . La de´forme ´ e de celui-ci permet de de´terminer la


ＲＲ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＲ ´ ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– INSTABILITES STRUCTURALES DES PLAQUES

V y M y

V x M x M yx

M x +

z

d M x

dy M y +

y M xy +

x

dx

p(x,y) dxdy

d Mxy d y

V y +

dy

d V y d y

M yx +

d My d y

En ne´gligeant, comme il est usuel, les infiniment petits d’ordre supe´rieur, l’e´ quilibre d’un e´le´ment dx ·dy dećoupe´ dans la plaque (figure 6 ) de´ bouche sur les relations suivantes :

M xy

dy

V x +

d Vx d x

d x

∂V x ∂V y + + p (x , y ) = 0 ∂x ∂y ∂M x ∂M xy + − V x = 0 ∂x ∂y ∂M ∂M − y + yx + V y = 0 ∂y ∂x

dx

d Myx d x

dx

dx

dy

∂2M xy ∂2M y ∂2M x 2 + + + p (x , y ) = 0 ∂x ∂y ∂y 2 ∂x 2

distribution en long des efforts inte´rieurs, appele´ s aussi « e´ le´ments de re´ duction » – moment de flexion M , effort axial N et effort tranchant V – puis de calculer les contraintes en un point situe´ a` une distance z de l’axe x en utilisant les lois e´le´mentaires e´ tablies dans la theórie e´lastique des poutres. Le fait qu’une plaque ait deux dimensions dominantes accroı ˆ t e´videmment le nombre d’e´le´ments de re´ duction : moments de flexion M x et M y , moments de torsion M xy et M yx et efforts tranchants V x et V y (figure 6 ).

∂4w (x , y ) ∂4w (x , y ) ∂4w (x , y ) p (x , y ) +2 + = D ∂x 4 ∂x 2∂y 2 ∂y 4

Cette dernie`re relation, appeleé e´ quation de Lagrange (1813), re´git la flexion des plaques planes. Elle est l’analogue a` deux dimensions de l’e´ quation :

∂4w p (x , y ) = El ∂x 4

Plusieurs the´ ories de la flexion e´ lastique des plaques solliciteés par des forces transversales au plan moyen existent. Elles diffe`rent par les hypothe` ses simplificatrices de de´part.

La de´ termination, par inte´ gration de (4), de la de´forme´ e w (x , y ) du plan moyen de la plaque suffit pour calculer, selon (1), les distributions des moments de flexion et de torsion puis, selon les 2 e et 3e e´quations de (2), celles des efforts tranchants. Les contraintes s et t et, au besoin, les contraintes principales en un point situe´ a` une distance z du plan moyen s’obtiennent a` partir des lois e´ le´mentaires de la re´sistance des mate´riaux et de l’e´lasticite´ plane a` deux dimensions.

` se simplificatrice selon  Elle se fonde notamment sur l’ hypothe laquelle le plan moyen ne subit pas de de´ formation membranaire lorsque la plaque flećhit. Ceci implique que la de´formeé de la plaque soit une surface de´veloppable, ce qui, de toute e´ vidence, ne saurait qu’eˆtre tre`s exceptionnellement le cas. C’est pourquoi les re´sultats de la theórie de Kirchhoff ne sont conside´re´s comme suffisamment reálistes que si la fle`che (de´placement maximal selon z ) n’exce`de pas 25 a` 30 % de l’e´ paisseur t .

2.2 Action additionnelle de forces agissant dans le plan Admettons maintenant que la plaque examine´ e au § 2.1 soit, en outre, soumise a` des efforts membranaires, c’est-a` -dire applique´s dans le plan de la plaque : N x, N y, N xy (= N yx ). Ceux-ci produisent ine´vitablement une de´formation du plan moyen et ont une action sur la flexion transversale de la plaque, d’une manie`re similaire a` ce qui se passe dans une poutre chargeé transversalement et axialement.

&

Tout proble`me de comportement e´lastique d’une plaque passe ´ alable de la de´ forme´ e w (x , y ) du plan par la de´ termination pre moyen de cette plaque, c’est-a`-dire de la fonction repre´sentant le de´placement de tout point de ce plan dans la direction normale a` celui-ci. En effet, tous les efforts inte´rieurs – moments de flexion, moments de torsion, efforts tranchants – sont obtenus par de´ rivations approprieés de cette fonction w (x , y ).

L’e´quilibre d’un e´le´ment infinite´simal dx ·dy , dećoupe´ dans la plaque par deux paires de plans paralle`les aux plans coordonne ´s xz et yz , doit a` pre´ sent envisager, outre les forces de´ ja` conside´ re´ es au § 2.1, les efforts agissant dans le plan de la plaque dont les intensite´s par unite´ de longueur sont indiqueés a` la figure 7 b .

On a par exemple pour les moments de flexion et de torsion : Mx

n

(

12 1 − ν

2

)

(5)

Celle-ci gouverne la flexion des poutres droites de raideur flexionnelle EI .

´ ment enseigneé est la the´ orie de Kirchhoff.  La plus commune Elle est re´gie par des relations similaires a` celles gouvernant la flexion des poutres mais, toutefois, quelque peu plus complexes dans la mesure ou` le comportement structural d’une plaque est bi-axial. Alors que la theórie des poutres est plutoˆt conside´reé rigoureuse, la the´ orie de Kirchhoff est manifestement approcheé.

Et 3

(4)

&

&

 ∂2w (x , y ) ∂2w (x , y )  = − D  +ν ∂y 2   ∂x 2   ∂2w (x , y ) ∂2w (x , y ) My = − D  +ν ∂x 2   ∂y 2  2 ∂ w (x , y ) Mxy = − Myx = − D (1 − ν ) ∂x ∂y

(3)

Et, en y remplaçant les moments par leurs expressions (1) :

Il est d’usage de rapporter les efforts inte´ rieurs a` l’unite´ de longueur a` laquelle ils s’appliquent.

D =

Ｑ

En substituant dans la 1 re e´quation de (2) les valeurs de V x et V y tire´ es des 2 e et 3e e´quation de (2), on obtient :

Figure 6 – Efforts inte´ rieurs sur un e´ le´ ment infinite´ simal (e´ paisseur t )

avec

(2)

(1)

&

En projetant ces forces sur les axes x et y , on obtient les e´quations d’e´quilibre additionnelles suivantes :

∂N x ∂N yx + =0 ∂x ∂y ∂N y ∂N xy + =0 ∂y ∂x

raideur flexionnelle de la plaque par unite´ de longueur, coefficient de contraction transversale, dit de Poisson.

(6)

Lesquelles sont inde´pendantes des trois e´ quations de (2) et peuvent donc eˆtre traite´ es se´pare´ ment.

Toute reproduction s ans autorisation d u Centre frança is d’exploitat ion du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I.

ＲＳ

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dx O

x dx N x

Ｑ

dy

N x +

z a

d Nx d x

dx

O

x

N yx

N xy

coupe selon x N xy +

O

x

N y

N yx + d Nxy d x

N x N x +

N yx + N y +

y b

dx

d Nyx d y

dy d w d y

N xy

d Ny d y

d Nyx d y

dx

d w

y

dy

d x

d y

N yx N xy +

d Nxy

d Nx d x

dx

c

+

d 2w

y d xd

dx

projections sur Oz des efforts de cisaillement

dy

dy

efforts sur le plan de la plaque

Figure 7 – Efforts membranaires

´ es a` la Projetons maintenant sur l’axe O z les forces indique ` cette fin, on doit tenir compte de la de´forme ´ e de la figure 7a . A plaque. En ne´gligeant ici encore les infiniment petits d’ordre supe´rieur, on obtient :

&



Projection des forces N x sur l’axe Oz (figure 7 a ) : N x



∂2w (x , y ) ∂N x ∂w (x , y ) dxdy + dxdy 2 ∂x ∂x x ∂

(7)

Projection des forces N y sur l’axe Oz : N y



plaque est soumise a` l’action d’une charge transversale p (x , y ), elle prend une de´ formeé w 1(x , y ) de sorte que tout point du plan moyen se retrouve a` une coordonne´ e [ w 0(x , y ) + w 1(x , y )] selon z . Pour le calcul de la de´forme´ e w 1(x , y ), on peut utiliser l’expression (10) e´ tablie pour les plaques planes. Ceci n’est toutefois licite que si la de´forme´ e initiale w 0(x , y ) est faible. On peut alors conside´rer qu’elle est produite par une charge transversale fictive et invoquer le principe de superposition. ´ rons maintenant que, outre la charge transversale, la  Conside plaque est sollicite´ e par des forces membranaires. Les effets de celles-ci sur la flexion de la plaque de´pendent, non seulement de w 1(x , y ), mais aussi de w 0(x , y ) et, plus prećise´ ment, de la de´ formeé totale [w 0(x , y ) + w 1(x , y )] puisqu’ils font re´fe´rence a` celle-ci (figure 7). Dans le second membre de (10), il importe de`s lors de remplacer w (x , y ) par l a de´ forme´ e totale. Comme l’e´tablissement de l’e´quation aux de´ rive´ es partielles l’a montre´, le premier membre de (10) ne repre´sente que des moments de flexion et de torsion dans la plaque. Ceux-ci ne de´pendent pas de la courbure totale, mais bien de la variation de courbure. La fonction w (x , y ) s’ identifie ainsi a` la seule de´ forme´ e additionnelle w 1(x , y ). On obtient ainsi l’e´ quation fondamentale d’une pl aque a` le´ge`re de´forme´ e initiale :

∂N y ∂w (x , y ) ∂2w (x , y ) dxdy + dxdy 2 ∂y ∂y ∂y

(8)

Projection des forces N xy et N yx = N xy sur l’axe Oz (figure 7 c ) :

2N xy

∂N xy ∂w (x , y ) ∂N xy ∂w (x , y ) ∂2w (x , y ) dxdy + dxdy + dx dy (9) ∂x ∂y ∂x ∂y ∂y ∂x

&

Ces diverses contributions viennent donc se superposer a` la charge transversale p (x , y )dx dy (figure 6 ). En reáppliquant la proce´ dure de´ crite au § 2.1 aux e´ quations (2) moyennant la modification ci-dessus et tenant compte des deux premie`res e´ quations de ( 6), on obtient l’e´ quation diffe´ rentielle de la de´ forme´ e d’une plaque soumise simultane´ ment a` des charges transversales et a` des forces agissant dans le plan de la plaque :

∂4w (x , y ) ∂4w (x , y ) ∂4w (x , y ) +2 + ∂x 4 ∂x 2∂y 2 ∂y 4 2 ∂ w (x , y ) ∂2w (x , y ) ∂2w (x , y )  1 2 N N = p (x , y ) + N x + +  xy y D  ∂x ∂y ∂x 2 ∂y 2 

∂4w1 (x , y ) ∂4w 1 (x , y ) ∂4w 1 (x , y ) +2 + = ∂x 4 ∂x 2∂y 2 ∂y 4  x , y ) + w 1 (x , y )   ∂2 w (x p (x , y ) + N x  0  ∂x 2   2   w x , y w x , y ∂  +  ( ) ( ) 1 1   +2N xy  0  D  ∂x ∂y    2 x , y ) + w 1 (x , y )   +N ∂ w 0 (x   y  ∂y 2

(10)

´ rons maintenant une plaque dont le plan moyen n’est  Conside ´ sente une configuration initiale w 0(x , y ) pas initialement plan et pre ` -vis de l’e´ paisseur de la plaque . Si une telle d’amplitude faible vis-a

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ＲＴ

(11)

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＳ

Instabilite´ des coques par Guy LAGAE Docteur-ingeńieur – Professeur a` l’universite´ de Gand Laboratoire de recherche sur Mode`les structuraux, universite´ de Gand et

Wesley VANLAERE Docteur-ingeńieur – Charge´ de recherches du Fonds de la recherche scientifique – Flandre (FWO) Laboratoire de recherche sur Mode`les structuraux, universite´ de Gand

1.

Contraintes membranaires et de flexion dans les coques ......

2.

´ entre the´ orie et re´ sultats Voilement des coques – Disparite expe´ rimentaux .................................................................................

—

3

´ et comportement postcritique de barres, Instabilite de plaques et de coques parfaites ...............................................

—

4

Effet des imperfections sur le comportement des poteaux, plaques et coques ...........................................................................

—

5

5.

´ des coques aux imperfections ................................. Sensibilite

—

5

6.

´ rances ge´ ome´ triques Mesure des imperfections et tole concernant le voilement ................................................................

—

6

7.

Incidence d’un comportement e´ lastique-plastique..................

—

7

8. 8.1 8.2 8.3

´ thodes de ve´ rification des coques au voilement ................ Me Calcul des contraintes ........................................................................ Calcul par analyse nume´rique globale MNA/LBA ................... .......... Calcul par analyse nume´rique globale GMNIA .................. ...............

— — — —

8 8 9 11

9. 9.1

Exemples........................................................................................... Calcul des contraintes ........................................................................ 9.1.1 Compression me´ridienne (axiale) ...................... .................... . 9.1.2 Cisaillement ................... ...................... ..................... ............... 9.1.3 Interaction cisaillement-compression me´ridienne ................. 9.1.4 Conclusion .................. ..................... ...................... .................. Analyse MNA/LBA .................. ...................... .................... .................. Analyse GMNIA ................... ..................... ..................... .................... . Comparaison des trois me ´ thodes de calcul .................... ..................

— — — — — — — — —

12 12 12 13 13 14 14 14 14

—

14

3. 4.

9.2 9.3 9.4

10. Conclusion ........................................................................................

ＵＱＰＲｳｲ｡ｭＺｮｯｩｴ｡､ｩｬ｡ｶ･ｲ￨ｩｮｲ･ｄＭＹＰＰＲ･ｲ｢ｭ･ｶｯｮＺｮｯｩｴｵｲ｡ｐ


C 2 513 – 2

Doc. C 2 513

ne coque soumise a` des contraintes de compression est susceptible de

U flećhir transversalement lorsque la contrainte atteint une valeur critique :

ce phe´ nome` ne est appele´ « voilement ». Le voilement est une de´ formation sou- daine de la coque pre´sentant, ge´ ne´ralement, un certain nombre d’ondes dans ´ tant donne´ qu’en geńe´ral le chargement les sens circonfe´rentiel et me´ridien. E est duˆ au poids porte´ par la coque, le voilement cause, dans la plupart des cas, un effondrement soudain et total. Un cisaillement de la coque engendre des contraintes principales de compression et peut donc e´ galement causer l’instabilite´ lorsque ce cisaillement atteint un seuil critique. La capacite´ portante d’une coque est fort influenceé par les imperfections geóme´triques qui ont un roˆle extreˆ mement de´favorable. La re´sistance au voilement est e´galement gouverneé par la limite d’e´ lasticite´ du mate´ riau. La de´termination de la capacite´ portante des coques par des me´ thodes analytiques n’est possible que pour des coques simples en ge´ ome´trie et en chargement.

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C 2 513 – 1

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＳ ´ DES COQUES INSTABILITE –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Le de´veloppement d’ordinateurs performants et de me´thodes nume´riques tre`s efficaces permet aujourd’hui de calculer une structure en coque quel que soit la complexite´ de la ge´ ome´trie, l’importance de l’effet des imperfections et le comportement non line´ aire. Ces mode`les nume´riques sont employe´ s, non seulement par les chercheurs scientifiques, mais e´galement – sous forme de logi- ciels FEM (Finite Element Method) commerciaux – par les inge´ nieurs de projet.

Ｑ

La taˆche principale de l’auteur de projet est, aujourd’hui plus que jamais, la mode´lisation correcte et la conversion des re´sultats nume´riques en une re´sistance au voilement caracte´ ristique d’une coque « reélle » pour obtenir un projet fiable et e´ conomique. Dans le pre´sent dossier, on traite brie`vement des me´thodes de calcul pour la ve´rification de la re´sistance d’une coque au voilement.

Dans la theórie membranaire ainsi esquisseé, les moments fle´ chissants, les moments de torsion et les efforts tranchants perpendiculaires a` la surface sont ne´glige´ s. Lorsque les conditions ci-dessus sont remplies, une coque est souvent capable de supporter des charges e´tonnamment e´leve´ es, malgre´ la paroi mince.

1. Contraintes membranaires et de flexion dans les coques

Exemple. C’est notamment le cas lorsque la paroi d’une coque cylindrique circulaire a` bords libres est soumise sur toute sa surface a` une pression radiale uniforme (figure 2 ). Les seules contraintes, que la pression radiale cause dans la paroi, sont des contraintes membranaires circonfe´ rentielles.

Une coque a deux caracte´ristiques principales : – une paroi mince ; – est courbe dans, au moins, une direction. Les coques en acier sont utiliseés comme e´ le´ments porteurs de charges dans diverses constructions : re´servoirs de stockage, navires, tours, silos, sous-marins, constructions offshore, missiles, chaˆteaux d’eau, tuyaux de chemine ´ e, vaisseaux spatiaux, etc.

&

Cette hypothe`se de fonctionnement purement membranaire de la coque n’est cependant plus valable lorsque, par exemple, deux charges line´ aires uniformes agissent le long de deux ge´ ne´ ratrices ´ es de ce meˆme cylindre libre (figure 3). diame´ tralement oppose Les e´le´ments de la coque ne sont alors plus en e´quilibre, a` moins que des contraintes de flexion circonfe´ rentielles soient introduites. L’utilisation d’une theórie flexionnelle est ici nećessaire pour la de´termination de la distribution des contraintes qui satisfont aux conditions d’e´quilibre. Les moments flećhissants ainsi introduits sont, dans ce cas, essentiels pour re´sister aux charges appliqueés et, parce que la paroi est mince et a donc une tre` s faible re´sistance a` la flexion, la capacite´ portante est en conse´quence nettement plus faible.

&

Les contraintes de traction, de compression et de cisaillement, paralle`les a` la paroi de la coque et constantes sur son e´ paisseur, sont appeleés « contraintes membranaires » (figure 1c ) et leurs re´sultantes sur l’e´ paisseur sont appeleés « efforts membranaires ». En tout point de la coque, trois efforts membranaires peuvent ainsi eˆtre de´finis (figure 1 ). Pour l’e´ tude du voilement, la compression est habituellement prise positive pour les contraintes et sollicitations me´ridiennes et circonfe´ rentielles.

&

Si la forme, les conditions d’appui et le chargement de la coque sont tels que les charges exte´ rieures peuvent eˆtre e´quilibreés par les forces membranaires seules, alors ces forces membranaires peuvent en principe eˆtre de´termineés par des conditions d’e´ quilibre pour chaque e´ le´ment, infiniment petit, de la coque. Ces conditions d’e´ quilibre sont obtenues en projetant toutes les forces, qui agissent sur l’e´le´ment infiniment petit, sur des axes coı ¨ncidant, par exemple, avec les deux directions principales de courbure et avec la normale a` la surface me´ diane de la coque. Axe

Méridienne Circonférentielle

q

x (u )

n (w )

Perpendiculaire a

direc tions

b

s q

s x q (v )

coordonnées et déplacements

t x q s q c

s x contraintes membranaires

Figure 2 – Coque cylindrique circulaire sous pression radiale uniforme

Figure 1 – Symboles utilise´ s

C 2 513 – 2


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＳ ´ ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– INSTABILITE DES COQUES

Ｑ ` deux charges Figure 3 – Coque cylindrique circulaire soumise a line´ aires diame´ tralement oppose´ es Figure 5 – Voilement d’un re´ servoir conique

Meˆme lorsque les contraintes membranaires sont capables d’assurer seules l’e´quilibre global, des contraintes de flexion dues aux conditions aux limites peuvent apparaıˆtre dans certains cas. Par exemple, dans la paroi du re´servoir conique de la figure 4, les ´ rentielles causent un allongement contraintes de traction circonfe e´lastique le long des paralle` les du re´servoir conique, et cet allongement est un peu augmente´, a` cause de l’effet de Poisson, par la compression me´ridienne. Cependant, si les points du bord infe´ rieur ne peuvent se de´placer a` cause de la jonction rigide avec le support de la coque, cette circonfe´rence ne peut pas du tout s’allonger, tandis que les paralle`les situe´s plus haut peuvent s’allonger plus librement. Cette condition aux limites induit une flexion me´ ridienne dans la zone du support. La compatibilite´ des de´formations aux limites peut donc causer l’apparition de contraintes de flexion.

g h

t

r

s x

s x b’

Figure 4 – Re´ servoir conique &

Une fl exion peut e´galement naı ˆtre dans le voisinage de l’une ou l’autre perturbation, par exemple une charge line´ aire ou une force ponctuelle. Localement, ces contraintes de flexion peuvent eˆtre tre`s e´leve´ es, mais, comme dans l’exemple preće´dent, elles diminuent assez rapidement en s’e´loignant de leur source. Comme l’acier est normalement un mate´riau ductile, les contraintes de flexion peuvent causer localement une plastification. Celle-ci entraı ˆ ne une certaine redistribution locale des contraintes, mais ces de´ formations plastiques sont geńe´ralement peu importantes en cas de charge statique. Des charges applique´ es de manie` re re´pe´teé a` des coques en acier, et donc susceptibles de causer une ruine par fatigue, sont rares pour les constructions terrestres, mais elles peuvent toutefois eˆtre d’une importance primordiale pour les constructions offshore.

Conside´ rons une coque conique, appuyeé sur son bord infe´rieur, ayant un axe vertical et un bord supe´rieur libre, remplie d’un liquide (figure 4). Des contraintes membranaires dans la paroi de la coque, c’est-a` -dire des contraintes de compression me´ ridiennes et de traction circonfe´rentielles, satisfont, en chaque point, les conditions d’e´quilibre. Lorsque le poids propre de la coque est ne´gligeable vis-a`-vis du poids du liquide, la contrainte me´ridienne et la contrainte circonfe´ rentielle au bord infe´ rieur de la coque sont respectivement :

&

x

=

 

γ h 2  r +

θ

avec

=

h



tg β ′ tgβ ′  3 2rt cos β ′

γ hr − t cos β ′

r

rayon du bord infe´ rieur,

h

hauteur de remplissage,

g

poids spećifique du liquide,

t

e´paisseur de la paroi,

b

′

(1)

En conse´quence, une coque doit eˆ tre, si possible, conç ue et ` re a` transmettre les charges principalement appuye´ e de manie par action membranaire. S’il y a neánmoins lieu de tenir compte des contraintes de flexion, celles-ci peuvent eˆ tre ve´rifie´ es et calculeés via une analyse nume´rique.

(2)

2. Voilement des coques – ´ entre the´ orie Disparite et re´ sultats expe´ rimentaux

angle entre l’axe et la me´ridienne.

Lorsque le niveau du liquide dans le re´ cipient conique monte, les contraintes de compression s peuvent causer le voilement de la partie infe´rieure de la coque malgre ´ l’effet stabilisateur des contraintes de tension circonfe´rentielles. Sous le poids du liquide, la coque s’ ećroule subitement. x

La stabilite´ de l’e´ quilibre e´lastique des coques (ou d’autres composants structuraux), soumises a` des charges qui y causent des forces membranaires de compression, peut eˆtre e´tudie ´ e par la me´thode de l’e´ nergie ou par celle de l’e´ quilibre de l’e´ tat adjacent.

Une photo, prise lors d’un essai sur mode` le re´ duit en feuille plastique transparent, montre clairement les de´ formations en bas de la coque conique au moment du voilement (figure 5 ).


ＲＷ

C 2 513 – 3

Ｑ

ＲＸ


Ｒ

1– Instabilités 2– Constructions métalliques

Réf. Internet

La construction métallique

C2500

31

Analyse des structures

C2530

35

Vérication des barres en acier. Etats limites et critères de dimensionnement

C2553

39

Constructions métalliques . M oyens d'assemblage

C2520

45

Constructions métalliques . Assemblages par procédés mécaniques

C2521

47

Constructions métalliques. Assemblages par soudage

C2522

53

Composants métalliques tendus et comprimés

C2551

57

Composants métalliques échis. Assemblages de poutres - Méthode des composants

C2554

63

Composants métalliques échis. Assemblages de pieds de poteaux

C2557

71

Sécurité incendie des ouvrages en structures acier et acier/béton. Partie 1

C2506

77

Construction mince

C2517

81

Les poutres de roulement de ponts roulants

C2518

85

page


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＰＰ

La construction métallique par Jacques BROZZETTI Ingénieur de l’École nationale supérieure des arts et métiers Master of Sciences Docteur Honoris Causa Professeur à l’École nationale des ponts et chaussées Directeur scientifique du Centre technique in dustriel de la construction métallique (CTICM)

1.

Panorama de la construction métallique en France ......................

2.

Intervenants dans l’acte de construire ..............................................

3.

Organisation et rôle d’une entreprise de construction métallique ...................................................................

3.1

Structure opérationnelle d’une entreprise de construction métallique.. 3.1.1 Bureau d’études.................................................................................. 3.1.2 Atelier .................................................................................................. 3.1.3 Montage .............................................................................................. Déviations par rapport à l’organisation précédente.................................

3.2

C 2 500 - 2 —

3

— — — — — —

4 4 5 5 6 6

4.

Évolution des techniques et des moyens de fabrication et de calcul ....................................................................

4.1 4.2 4.3 4.4

Matériaux ..................................................................................................... Outils et méthodes pour la fabrication...................................................... Rôle de la normalisation en charpente métallique................................... Apport de l’informatique au bureau d’études et à l’atelier......................

— — — — —

6 6 6 7 7

5.

Sources de pathologie. Avantages intrinsèques de l’acier.......... Protection contre la corrosion.................................................................... Résistance des éléments en acier .............................................................. Protection contre l’incendie........................................................................

— — — —

8 8 8 9

— — —

9 9 9

5.1 5.2 5.3

6.

De la qualification à la certification des entreprises du bâtiment .................................................................

6.1 6.2

Qualibat ........................................................................................................ Certification suivant ISO 9000 ....................................................................

7.

Règles de calcul en construction métallique................................... Contexte général sur l’origine des eurocodes .......................................... Contexte particulier à l’Eurocode 3............................................................ Corpus des règles de construction métallique actuelles en regard de ce qu’apporte l’Eurocode 3 et son DAN..............................

— — —

9 9 10

—

11

Références bibliographiques .........................................................................

—

11

7.1 7.2 7.3

a construction métallique dispose dans le BTP d’une « ancienneté » que cer-

L tains interprètent comme un signe de non-modernité alors que d’autres y

ＲＰＰＲｩ｡ｭＺｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

voient l’évolution d’une industrie centenaire qui a su s’adapter au progrès. En considérant la qualité — au sens large — des ouvrages construits, on peut cher- cher à comparer les filières de construction entre elles. On s’aperçoit alors que la construction métallique fait figure plus qu’honorable dans le panorama d’ensemble. Pour cela, nous présentons le panorama en chiffres de l’entreprise de construction métallique en rappelant comment elle s’insère dans la chaîne des

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Construction

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C 2 500 − 1

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LA CONSTRUCTION MÉTALLIQUE __________________________________________________________________________________________________________

participants à l’acte de construire. Nous décrivons e nsuite les modèles selon lesquels elle s’organise en tant qu’entreprise industrielle et en quoi les dernières évolutions des matériaux, des moyens de production, de l’informatique et de la normalisation influent sur son devenir. Cela fait, nous reviendrons sur les avantages et inconvénients — parfois sup- posés ou surestimés — de l’acier, à la lumière des méthodes et des produits disponibles aujourd’hui. Parmi ces aspects, la qualification ou la certification des entreprises fera l’objet d’un développement particulier.

Ｒ

1. Panorama de la construction métallique en France Les entreprises de construction métallique couvrent un spectre étendu de l’activité BTP en France. Les activités traditionnelles de la construction métallique concernent essentiellement le domaine de la fabrication et, parfois, du montage des ossatures métalliques. Les activités de couverture-bardage requièrent de plus en plus la mise en œuvre de composants industrialisés. Les produits sont fabriqués, soit par des filiales de groupes sidérurgiques, soit par des entreprises spécialisées dans la fabrication et le traitement de revêtement d’éléments minces formés à froid. Ces dernières travaillent essentiellement à partir de feuillards et ont investi dans des machines spéciales (figures 1 et 2). Aussi parlerons-nous essentiellement des entreprises réalisant un volume d’affaires significatif en charpente métallique, soit un minimum de l’ordre de 200 tonnes usinées par an et 30 M � de chiffre d’affaires, en rappelant au passage que le produit de base, profilé métallique ou plaque, vaut actuellement à l’achat entre 305 � et 610 � la tonne.

Figure 2 – Fabrication d’une panne Z par profilage à froid

La production de constructions métalliques usinées est d’environ 850 000 tonnes (année 2000) pour le marché intérieur et de 50 000 tonnes pour le marché à l’exportation. La production s’accroît régulièrement depuis 1994, année où fut enregistré le record plancher historique de 550 000 tonnes. La profession emploie au total 14 150 personnes environ (cadres et employés, ouvriers d’ateliers et de chantiers). La structure de la profession a peu varié au cours de cette dernière décennie. Elle peut s’examiner au regard du tonnage usiné en fonction de la taille des entreprises (tableau 1) :

Sur ces critères, il existe environ 550 entreprises recensées en France, se caractérisant par des activités de fabrication couvrant les divers types de bâtiments, les ouvrages d’art, les mâts et pylônes de hauteur significative, les silos et divers autres équipements. Soulignons cependant que les cinq plus importantes entreprises restent des PME de moins de 700 employés.

Tableau 1 – Répartit ion du tonnage usiné en fonction de la taille des entreprises (sources SCMF) (1) Tonnage usiné (2)

Entreprises concernées

(t)

(%)

tu > 15 000

7

9 000 < tu < 15 000

12

7 000 < tu < 9 000

7,5

5 000 < tu < 7 000

7

3 000 < tu < 5 000

19

2 000 < tu < 3 000

10

tu < 2 000 (1) Syndicat de la Construction Métallique de France. (2) tu : tonnage usiné.

Figure 1 – Profileuse à galets pour tôle de bardage

C 2 500 − 2


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37,5


_________________________________________________________________________________________________________ LA CONSTRUCTION MÉTALLIQUE

Quant à la structure financière de ces entreprises, trois situations se présentent fréquemment : — entreprise indépendante, à capital réparti entre particuliers (structure souvent de type familial) ; — entreprise filiale d’un groupe d’entreprises de même type. On a constaté ces dix dernières années l’accroissement de tels regroupements ; — entreprise filiale d’un groupe généraliste en BTP, c’est-à-dire un groupe de BTP désirant disposer d’une branche construction métallique.

Contrôleur

Client

Architecte

Bureau d'études

Entreprise générale

Entreprise de construction métallique

2. Intervenants dans l’acte de construire

Négociant de produits en acier (poutrelles, bardages, couvertures, boulons ...)

Producteur d'acier

Poseur Monteur-levageur

L’entrepreneur en construction métallique agit, bien entendu, en tant qu’entreprise dans un marché de construction, le plus souvent pour le lot de charpente métallique uniquement. Plus rarement, il intervient en tant qu’entreprise générale. Il faut en effet constater que sa profession de base d’entrepreneur industriel ne l’y encourage guère, l’entreprise générale étant un métier différent.

Figure 3 – Chaîne des intervenants et des fournisseurs dans un projet de construction en acier

La figure 3 détaille classiquement la chaîne des intervenants dans la construction d’un projet de bâtiments. La décision clé de construire en acier revient, la plupart du temps, à l’architecte et quelquefois à son client. Si ce dernier est fort de quelques expériences dans le domaine, il peut, à la rigueur, influer sur le choix de l’architecte. En pratique, l’entrepreneur en construction métallique dispose de peu de ressources et de moyens pour influer sur le spécificateur ou sur le concepteur du projet. On voit que cette organisation « classique » des intervenants dans l’acte de construire laisse peu de liberté à l’entrepreneur en construction métallique, qui dépend d’une part de l’entreprise générale et d’autre part de ses fournisseurs. La réalisation de bâtiments à ossature en acier suppose des méthodes de travail et d’organisation différentes de celles consistant à fabriquer des ossatures ou à mettre au point des produits nouveaux. Elle nécessite aussi de se démarquer des habitudes de chantier propres à la construction en béton, fortement ancrées dans la culture des entreprises de construction françaises.

Figure 4 – Montage d’une charpente métallique par grue mobile sur pneus

Des particularités sont propres aux constructions métalliques [7]. D’abord, il n’y a généralement plus, comme sur un chantier « en béton », la grue à tour de l’entreprise de gros œuvre. L’entreprise de montage de structure métallique recourt le plus souvent à une grue mobile de faible puissance, qu’elle loue la plupart du temps (figure 4). En outre, le volume de matériaux et de produits de construction utilisé pour la phase de second œuvre est nettement plus important. On trouve des composants préassemblés plus encombrants et plus fragiles que les matériaux bruts ou en vrac. Bien entendu, le bon sens interdit de laisser différentes entreprises amener leur propre engin de levage ou de manutention ; la mise en commun des moyens dans le cadre d’une logistique d’ensemble n’est cependant pas simple et nécessite d’être organisée. Une autre particularité tient aux produits manufacturés banalisés mis en œuvre par des entreprises spécialisées comme la fourniture et la pose de bardages ou la fourniture, la pose et la réalisation des systèmes de planchers mixtes sur bac acier (figure 5). Ce type de construction élimine la quasi-totalité des tâches salissantes, réduit de plus de 30 % les heures de travail exposées aux accidents ainsi qu’aux intempéries, pour les remplacer par des heures de travail sous abris.

Figure 5 – Réalisation d’un plancher « bac acier » sur poutrelles alvéolaires


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＳＰ

Analyse des structures par Nicolas BOISSONNADE Dr-Ing. en Sciences pour l’Ingeńieur ´ cole d’Inge´ nieurs et d’A rchitectes de Fribourg (Suisse) Professeur a` la Haute E

1. 1.1 1.2 1.3

´ rifications ................................................................. Analyse et ve Effets d’actions – Combinaisons de charges ..................................... Notion d’analyse et de ve´rification.... ..................... .................... ....... Ideálisation de la structure ..................... ..................... ..................... . 1.3.1 Syste`me statique global .................... ..................... ................. 1.3.2 Dećomposition de la structure ..................... .................... ....... 1.3.3 Comportement des assemblages .................... ..................... ...

2. 2.1

´ thodes d’analyse ............. Comportement des structures – Me Re´ponses lineáire et non lineáire des structures .................... .......... 2.1.1 Comportement lineáire.. .................... ..................... ................. 2.1.2 Effets du 2 ordre..................................................................... 2.1.3 Notion d’instabilite´ d’ensemble ................... .................... ....... 2.1.4 Classification des structures .................. .................... ............. Me´thodes d’analyse globale ..................... .................... ..................... 2.2.1 Analyse globale e´lastique ..................... ..................... ............. 2.2.2 Analyse globale plastique .................. ..................... ................ 2.2.3 Me´thodes pas-a` -pas ..................................... .................... ....... Choix d’une me´thode d’analyse .................. ..................... ................. 2.3.1 Analyse e ´ lastique ou plastique .................... .................... ....... 2.3.2 Analyse au 1 ordre ou au 2 ordre ....................................... 2.3.3 Conse´quences sur le dimensionnement...... .................... ....... Imperfections...................................................................................... 2.4.1 Imperfections globales .................... ..................... ................... 2.4.2 Imperfections locales .................. ..................... ..................... ..

— — — — — — — — — — — — — — — — —

4 4 4 5 6 6 8 8 8 11 11 11 12 12 14 14 14

3.

Exemple d’application....................................................................

—

15

4.

Conclusion........................................................................................

—

18

e

2.2

2.3

er

2.4

e


C 2 530 – — — — — — —

2 2 3 3 3 3 4

Doc. C 2 530

es structures me´talliques sont geńe´ralement constitueés de barres – sou-

L vent rectilignes – connecteés les unes aux autres pour former la geóme´trie

ＵＱＰＲｴ ￻ ｯ｡Ｚｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

de la structure. Conjointement avec la de´finition des conditions d’appui et de liaisons entre e´le´ments, elles forment le sche´ma statique de la structure qui de´finit et caracte´ rise ses degre´ s de liberte´ , c’est-a` -dire la manie` re dont elle enre- gistre des de´placements et se de´forme sous l’effet des charges appliqueés. Dans son travail quotidien, l’ingeńieur en charge du calcul d’un ouvrage se doit d’assurer la re´sistance et la stabilite´ de la structure pour les diffe ´ rentes phases de sa vie (montage, vie quotidienne, e´ veńements exceptionnels …). En ` re phase pratique, cela s’effectue le plus souvent en deux e´ tapes : une premie ´ rie de ve´ rifications (cf. § 2). d’analyse suivie d’une se L’analyse globale ou analyse structurelle permet de caracte´riser l’influence des actions exte´ rieures (charges permanent es, climatiques, d’exp loitation, etc.) d ans les diffe´ rents e´ le´ments, sections et assemblages de l’ossature, et elle est le plus souvent meneé sur la totalite´ de la structure (ou e´ventuellement sur une sous-structure, cf. § 2.3.2) – c’est pour cette raison que l’on parle habituellement d’analyse globale. Une fois l’analyse globale effectueé, la re´sistance des sections et des assemblages, ainsi que la stabilite´ des diffe´rents e´le´ments constitutifs de la structure peuvent eˆtre ve´ rifie´ es. L’analyse globale peut eˆtre effectueé au moyen des me´thodes e´lastique ou plastique (§ 3.2). On notera toutefois que si l’analyse plastique est en geńe´ral

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＳＰ ANALYSE DES STRUCTURES

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

plus e´ conomique, elle est sujette a` des conditions d’application plus strictes. En fonction du type de structure, il est possible de mener l’analyse globale en ayant recours a` une theórie du 1 ordre ou du 2 ordre (§ 3.3.2). Dans le premier cas, on se re´fe`re a` la geóme´trie initiale non de´forme´ e de la structure, alors que dans le cas d’une analyse au 2 ordre, la geóme´trie de la structure est suffisamment affecteé par les effets d’actions pour qu’il soit nećessaire de tenir compte de la modification de la geóme´trie sous l’effet des charges appliqueés. D’une manie`re geńe´rale, il est toujours possible de mener une analyse e´lastique. Par ailleurs, l’analyse globale peut eˆ tre fondeé sur la the´ orie du 2 ordre, dans tous les cas et sans restrictions, mais ce n’est pas toujours indispensable. Par simplicite´, la pratique courante consiste souvent a` se limiter a` une analyse globale e´lastique au 1 ordre (cf. § 3.2.1). Cet article rassemble les notions et les concepts indispensables a` une bonne maı ˆ t rise de cette phase d’analyse. On y traite notamment du choix de la me´thode d’analyse (e´ lastique ou plastique, au 1 ou au 2 ordre). er

e

e

e

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er

e

– les actions indirectes sollicitant la structure sont les variations de tempe´ rature, les tassements d’appui, le feu…

1. Analyse et ve´ rifications

Ces actions, ou plus pre´ cise´ ment leur s effets, doivent eˆtre pris en conside´ration dans le processus de dimensionnement de l’ossature. Le plus souvent, on ope` re une distinction entre les effets des charges permanentes et les effets des charges variables – c’est-a` dire variables dans le temps et dans l’espace (figure 1 ).

1.1 Effets d’actions – Combinaisons de charges Une structure est, en ge´ ne´ral, soumise a` des actions de diffe´rentes natures, directes ou indirectes :

Les normes modernes traitant du dimensionnement des structures, tels que les Eurocodes en Europe par exemple, utilisent ces notions de charges permanentes et variables pour la de´finition ´ tats limites de service (ELS). d’E´tats limites ultimes (ELU) et d’E

– par action directe, on de´signe par exemple le poids propre de l’ossature, le vent, la neige, les seísmes, les chocs… ;

Actions : Effets d’actions :

• Charges, efforts

• Efforts intérieurs, contraintes, réactions

• Poussées des terres, pressions hydrauliques

• Déformations, tassements

• Effets de la température, incendie, humidité

• Instabilités • Fissurations, co rrosions et putréfactions

• Effets chimiques, sel d e déneigement

Modèle de calcul, Grandeurs géométriques, Modèle du sol de fondation

Figure 1 – Actions et effets d’actions

C 2 530 – 2


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＳＰ –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ANALYSE DES STRUCTURES

Lorsque ces grandeurs sont connues, l’ingeńieur effectue une se´rie de ve´rifications destine´ es a` s’assurer de la performance de la structur e, c’est-a` -dire a` la fois de son degre´ de sećurite´ , d’ećonomie et d’aptitude au service. Il dispose pour cela de diffe´rentes familles de ve´ rifications : des me´thodes plastiques, e´ lastiques ou e´lastiques en section efficace (ou sect ion re´ duite) ; la de´ termination (ou meˆ me parfois le choix) d’une me´thode de ve´rification est lieé a` la notion de classe de section (voir article [C 2 553]).

De manie`re geńe´rale, un e´tat limite est un e´tat atteint par la structure ou ses composantes qui est tel que la structure ne re´pond plus a` la fonction pour laquelle elle a e´ te´ construite. Les e´ tats limites ultimes caracte´risent la ruine totale ou partielle de la structure, alors que les e´ tats l imites de service sont relatif s a` l’aptitude au fonctionnement de l’ouvrage.

Dans la proce´dure de dimensionnement, ces deux e´ tapes sont lieés. Le sche´ma de la figure 2 illustre le fait que, plus l’une des deux phases est meneé de façon avance´ e, plus la seconde est simple et rapide, et inversement.

Les e´tats limites ultimes et les e´tats limites de service (aussi appele´ parfois « situations de risque ») sont caracte´ rise´ s par la de´ finition de combinaisons d’actions, faisant intervenir les charges permanentes et les charges variables avec des coefficients de ponde´ration pour chacune d’entre elles.

Proce´der a` l’analyse globale d’une structure ne´ cessite de choisir des mode`les ade´quats, et notamment d’adopter des hypothe`ses quant au comportement de ses e´le´ments constitutifs (barres et assemblages), comme explique´ aux paragraphes suivants.

Ces coefficients de ponde´ration traduisent la probabilite´ de simultaneíte´ des actions (par exemple concomitance de la neige et du vent), ainsi que les niveaux d’action envisage´s, c’est-a`-dire, soit des situations extreˆmes dans la vie de la structure (ELU), soit le fonctionnement de tous les jours (ELS). Ainsi, en pratique, une se´rie de combinaisons ELU et ELS sont a` envisager pour le dimensionnement.

´ alisation de la structure 1.3 Ide ` me statique global 1.3.1 Syste La structure (ou l’ossature) est ici conside´reé dans sa globalite´, comme un syste` me statique a` part entie` re. Diffe´ rentes hypothe` ses relatives au mode`le structurel sont a` effectuer :

1.2 Notion d’analyse et de ve´ rification Les combinaisons de charges, relatives a` chaque situation de risque, engendrent dans les diffe´ rents e´le´ments de la structure des sollicitations et des de´placements. La de´termination de l’intensite´ et de la re´partition de ces « sollicitations » (moment de flexion M , effort normal N , effort tranchant V ) et de ces de´placements est l’ objet de l’analyse de la structure (voir Nota).

– – – –

sche´ma statique (appuis, types de liaisons entre e´ le´ments…) ; geóme´ trie ; comportement des sections, des assemblages ; mate´ riaux utilise´ s…

En principe, on conside`re la structure dans sa globalite´ pour en effectuer l’anal yse ; cela implique donc de conside´ rer l’entie` rete´ de ses composants. Selon les cas, on peut envisager de traiter la structure dans son ensemble en trois dimensions (par exemple dans le cas d’actions sismiques mobilisant la re´sistance a` la torsion de la structure), ou plus simplement en deux dimensions. La geóme´trie des e´ le´ments est le plus souvent repre´ sente´ e par les lignes de leur s centres de gravite´ (the´ orie des poutres).

ˆ tre parce qu’elle est plus explicite, en Suisse et en Belgique, l’expression Nota : Peut-e « effort inte´ rieur », traduction directe du terme anglais « internal force », est geńe´ralement utilise´ e a` la place du mot français « sollicitation ».

Sophistication de l’analyse globale

Analyse globale

´ composition de la structure 1.3.2 De

Importance relative des tâches

Comme alternative a` la prise en compte de la structure dans son ensemble, il est possible d’ide´ aliser cette dernie` re comme l’adjonction de composants.

Vérifications à l’ELU

Exemple Cela peut consister en la de´ composition du comportement tridimensionnel de la structure en plusieurs comportements bidimensionnels, moyennant la prise en compte judicieuse de leurs interactions (cf. figure 3).

Simplification de l’analyse globale ˆ ches d’analyse globale Figure 2 – Importance relative des ta

B n l a P

Plan A

Plan A

Plan B

Figure 3 – De´ composition de la structure en sous-structures


ＳＷ

C 2 530 – 3

Ｒ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＳＰ ANALYSE DES STRUCTURES

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

D’une manie` re geńe´rale, il est toujours possible de de´ composer la structure globale en sous-structures et/ou en e´le´ments isole´s, moyennant une exte´ riorisation des interactions structurales entre e´le´ ments adjacents.

rotations) varient lineáirement avec les charges appliqueés. Cela pre´ suppose : – un mate´riau e´lastique lineáire (c’est-a`-dire qui suit la loi de Hooke) ; – de petits de´placements (c’est-a` -dire que l’influence de la de´formeé courante sur la distribution des sollicitations est ne´gligeable).

Exemple La figure 3 illustre la possibilite´ de dissocier une structure tridimensionnelle en deux sous-structures planes, dont les interactions sont prises en compte au travers de conditions d’appui ade´ quates et des charges qu’elles se transfe` rent. ´ es, c’est-a`-dire des que Lorsque ces dećompositions sont acheve l’on connaıˆt l’effet des sollicitations sur chaque e´ le´ment et l’influence de son environnement (e´ le´ments adjacents), il est aise´ de proce´der aux diffe´rentes ve´rifications de re´ sistance et de stabilite´ .

Ｒ

Dans ces conditions, les contraintes, de´formations, sollicitations et de´placements dus aux effets des diffe´rentes actions appliqueés isole´ ment peuvent eˆtre simplement additionne´s en utilisant le principe de superposition. Ce dernier se re´ve`le particulie` rement utile en pratique pour de´terminer la situation la plus se´ve`re pour chaque section ou barre d’une structure.

La de´finition des interactions e´ventuelles entre e´le´ments reste cependant de´licate et elle doit eˆtre appre´hendeé par l’ingeńieur avec soin. C’est ce qu’illustre la figure 4 ou` l’on souhaite de´ terminer l’influence des e´le´ments connecte´s aux poteaux (ici, dans ce cas simple, la traverse) quant a` leur comportement « isole´ ». Selon que les poteaux (figure 4 a ) ou la traverse (figure 4c ) ont une rigidite´ infinie, la traverse peut respectivement eˆtre conside´reé comme une poutre bi-encastre´ e ou une poutre simple. En conse´ quence, la dećomposition de la structure en e´le´ments isole´s peut conduire a` des re´sultats radicalement diffe´rents. En pratique, ces cas extreˆ mes n’existent pas et le rapport des rigidite´s respectives est tel que poteaux et traverse sont des e´le´ments en interaction (figure 4 b ).

p

p

b

c

EI t >> EI m

EI t << EI m

p EI t EI m

a

EI m

h

L

1.3.3 Comportement des assemblages

EI t rigidité de la traverse EI m rigidité du montant (poteau)

Les nœuds ou assemblages entre e´le´ments structuraux doivent eˆtre conside´ re´s comme des composants a` part entie` re de la structure (figure 5). Les assemblages peuvent, en effet, constituer l’unique source de non-lineárite ´ de la structure, tout comme se re´ve´ler eˆtre une zone ou ` les de´formations plastiques vont se concentrer (de´veloppement de rotules plastiques), et ainsi avoir une influence de´ terminante sur le comportement de l’ossature.

Figure 4 – Importance des rigidite´ s relatives

Joint de poutres

Par ailleurs, si l’habitude en construction me´tallique a longtemps e´te´ (et reste) de conside´ rer les nœuds comme, soit rigides, soit articule´s, il convient de prendre garde que, selon leur conception, certains nœuds peuvent pre ´ senter un comportement dit « semirigide », c’est-a` -dire interme´diaire entre les deux cas extreˆmes, rigide ou articule´.

Angle de cadre

Liaison poutrecolonne Pied de colonne

Ceci a des conse´quences sur le re´sultat de l’analyse, et il est par conse´quent indispensable de prendre en conside´ration le comportement effectif des nœuds dans l’analyse globale, ce qui implique que ces derniers soient conside´re´s comme des composants a` part entie` re de l’ossature.

Figure 5 – Diffe´ rents types de nœuds dans une structure me´ tallique

2. Comportement des structures – Me´ thodes d’analyse

4 Instabilité

Charge

1 Linéaire 3 Non-linéaire géométrique

2 Non-linéaire materiel

2.1 Re´ ponses line´ aire et non line´ aire des structures

5 Non-linéaire géométrique et materiel

La figure 6 repre´sente de manie` re sche´matique les diffe´ rents types de re´ponses lie´ es au comportement d’une structure en fonction de l’e´volution de son chargement.

Déplacement

´ aire 2.1.1 Comportement line ´ aires et non line´ aires des structures Figure 6 – Types de re´ ponses line en acier

On admet qu’une structure suit un comportement line´ aire (on dit aussi du 1 ordre) lorsque les de´placements (translations et er

C 2 530 – 4


ＳＸ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＳ

Ve´ rification de barres en acier ´ tats limites et crite ` res de E dimensionnement par Alain BUREAU Chef du Service recherche Construction me´ tallique Centre technique industriel de la construction me´tallique (CTICM France)

Ｒ

1. 1.1 1.2 1.3

Principes et notations .................................................................... Principes de ve´rification selon les Eurocodes............. ..................... . Coefficients partiels sur la re´sistance .................. .................... .......... Principales notations....... .................... ..................... ..................... .....

C 2 553v2 – — — —

2 2 2 3

2. 2.1 2.2 2.3

Voilement local sous contraintes normales de compression Notions de classes de section ........................................................... De´termination de la classe d’une section ................... ..................... . Caracte´ristiques efficaces pour une section de classe 4 .................. 2.3.1 Principes .................... ..................... .................... ..................... 2.3.2 Largeur efficace de paroi......................................................... 2.3.3 Calcul des caracte ´ ristiques efficaces ............................ ..........

— — — — — — —

3 3 4 5 5 6 7

3. 3.1

Re´ sistance des sections ................................................................. Re´sistance des sections sous sollicitation simple ................. ........... 3.1.1 Effort axial de traction ............................................................. 3.1.2 Effort axial de compression .................................................... 3.1.3 Effort tranchant .................... ...................... .................... .......... 3.1.4 Moment de flexion ...................... .................... ...................... .. Re´sistance d’une section sous sollicitations multiples – Interactions ................... ...................... ..................... .................... ....... 3.2.1 Moment fle ´ chissant et effort axial ............................. ............. 3.2.2 Moment flećhissant et effort tranchant.. .................... ............. 3.2.3 Moment flećhissant, effort axial et effort tranchant ...............

— — — — — —

8 8 8 8 8 8

— — — —

9 9 10 10

4.3

Re´ sistance des barres aux instabilite´ s ....................................... Barre simplement comprime ´ e – Flambement ................... ................ 4.1.1 Re´sistance au flambement ..................... .................... ............. 4.1.2 Flambement par torsion .......................................................... Barre simplement flećhie – De´versement. ..................... .................... 4.2.1 Geńe´ralite´ s .................... ..................... ..................... ................. 4.2.2 Moment critique de de´versement e´lastique ..................... ...... 4.2.3 Re´sistance au de ´ versement..... ..................... .................... ....... Barres comprimeés et flećhies........... ..................... .................... .......

— — — — — — — — —

11 11 11 12 12 12 13 14 16

5. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

ˆ mes au voilement par cisaillement ............... Re´ sistance des a Re´sistance au voilement par cisaillement .................. ...................... . Contribution de l’aˆ me ................... ...................... ..................... .......... Contribution des semelles ................................................................. Interaction .......................................................................................... Raidisseurs transversaux ................... ..................... .................... .......

— — — — — —

17 17 18 18 18 19

6.

´ tats limites de service ................................................................. E

—

19

7.

Conclusion........................................................................................

—

19

3.2

4. 4.1

4.2

Pour en savoir plus .................................................................................. Doc. C 2 553v2

C re´fe´rant aux normes en vigueur (Eurocodes). Nous supposons que les et article pre´ sente les me´thodes de ve´rification d’une barre en acier, en se

ＴＱＰＲｴ ￻ ｯ｡Ｚｮｯｩｴｵｲ｡ｐ


ＳＹ

C 2 553v2 – 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＳ ´ RIFICATION DE BARRES EN ACIER VE

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

dimensions et les caracte´ ristiques geóme´triques et mećaniques de l’e´ le´ment a` ve´rifier sont connues. Elles ont pu eˆtre obtenues a` partir d’un pre´ -dimensionnement de la structure. Nous faisons aussi l’hypothe`se que les sollicitations (effort axial, effort tranchant, moment fle´ chissant) ont e´te´ de´termine´ es conforme´ment aux re`gles des Eurocodes. C’est-a`-dire : pour les diffe´rentes combinaisons de ´ tats limites ultimes (ELU) et aux E ´ tats limites de service ve´rification aux E (ELS). Nous nous plaçons donc clairement dans une de´marche de ve´rification d’une barre en acier, composant d’une ossature de baˆ timent.

Ｒ

Il convient de prećiser ici que seules sont traiteés les barres uniformes. Il s’agit de barres droites a` section constante sur leur longueur. Cet article vise plus prećise´ment les sections transversales en I ou H doublement syme´ triques (semelles e´gales) qui se rencontrent dans les profile´s lamine´s, ou les profile´s reconstitue ´ s par soudage (PRS). En revanche, il ne couvre pas le calcul des assemblages traite´ dans d’autres articles.

Exemple Poutre simplement appuyeé de longueur L, soumise a` une charge permanente G et a` une charge d’exploitation Q (chargement uniforme´ment re´parti). La combinaison ELU conduit a` une charge : q ELU = g G G + g Q Q. ´s Les coefficients g G et g Q sont les coefficients partiels applique aux actions, avec pour cet exemple :

1. Principes et notations ´ rification 1.1 Principes de ve selon les Eurocodes

γ G = 1, 35

&

Pour la ve´rification d’e´le´ments de construction me´tallique, on doit envisager deux types d’e´ tats limites : – ELU : les E´tats limites ultimes concernent les risques de de´faillance structurelle ou d’effondrement, susceptibles de mettre en danger la sećurite´ des personnes et des biens. Il s ’agit essentiellement de respecter deux genres de crite`res : ´ sistance,  re ´ globale et locale ;  stabilite

γ Q = 1, 5

Le moment flećhissant de calcul est : M Ed = q ELU L 2 /8. ` titre d’exemple, il convient notamment de satisfaire la condition : A MEd

avec, dans le cas d’une section de classe 1 ou 2 :

– ELS : les E´tats limites de service concernent l’aptitude a` l’utilisation de l’ouvrage, ainsi que son aspect. Selon la destination de l’ouvrage et selon le composant e´tudie´, il s’agit de respecter deux sortes de crite` res : ´ formation (fle`ches),  de  confort (vibration de plancher, par exemple).

Mc,Rd

&

De manie` re geńe´rale, la ve´rification de la re´sistance d’un e´le´ment de structure, vis-a` -vis d’un E´tat limite ultime, consiste a` satisfaire une condition du type :

X Ed

X Rd

C 2 553v2 – 2

= Wpl f y / γ M0

W pl

module plastique de la section,

f y

limite d’e´lasticite´ de l’acier,

g M0

´ a` la re´sistance d’une coefficient partiel applique section.

Il est a` noter que la combinaison ELS conduit a` une charge : qELS

X Ed ≤ X Rd

avec

≤ M c,Rd

effet de calcul qui re´sulte d’une combinaison d’actions agissant sur la structure ou sur l’e´ le´ment de structure. Dans une telle combinaison, les valeurs caracte´ristiques des actions sont ponde´reés par des coefficients partiels (g F), geńe´ralement supe´ rieurs a` l’unite´ , ´ tat re´sistance de calcul qui correspond a ` l’E limite ultime conside´ re´. La re´sistance de calcul est e´gale a` la re´sistance caracte´ ristique divise´ e par un coefficient partiel (g M) supe´rieur ou e´gal a` l’unite´ .

= G + Q

1.2 Coefficients partiels sur la re´ sistance Dans les crite`res de re´sistance aux E´ tats limites ultimes, la norme NF EN 1993-1-1, encore appeleé Eurocode 3 Partie 1-1, utilise trois coefficients partiels g M0, g M1 et g M2. Le tableau 1 donne les valeurs applicables aux baˆ timents.


ＴＰ


––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Tableau 1 – Coefficients partiels sur la re´ sistance ˆ timents) selon la norme NF EN 1993-1-1/NA (pour les ba E´ tats limites ultimes

A

Aire de la section

Av,y

Aire de cisaillement pour un effort tranchant suivant l’axe y-y

Av,z

Aire de cisaillement pour un effort tranchant suivant l’axe z-z

I y

Moment d’inertie de flexion par r apport a` l’axe fort (axe y-y)

I z

Moment d’inertie de flexion par r apport a` l’axe faible (axe z-z)

I T

Inertie de torsion

I w

Inertie de gauchissement

W el,y

Module e´lastique de flexion par rapport a` l’axe fort

W el,z

Module e´lastique de flexion par rapport a` l’axe faible

W pl,y

Module plastique de flexion par rapport a` l’axe fort

W pl,z

Module plastique de flexion par rapport a` l’axe faible

Coefficients partiels

Re´sistance des sections

g M0 =

1,00

Re´sistance des barres aux instabilite´ s

g M1 =

1,00

Re´sistance a` la rupture des sections transversales

g M2 =

1,25

t f

z

´ RIFICATION DE BARRES EN ACIER VE

Ｒ

r

G y

y

hw

h

&

Caracte´ ristiques efficaces

Aeff

Aire efficace de la section

W eff,y

Module e´lastique efficace de la section en flexion par rapport a` l’axe fort

W eff,z

Module e´lastique efficace de la section en flexion par rapport a` l’axe faible

t w

z

t f

&

b f

Figure 1 – Notations utilise´ es pour caracte´ riser une section transversale de profile´ lamine´

1.3 Principales notations &

Proprie´ te´ s de l’acier

Sollicitations

N Ed

Effort axial de calcul (traction ou compression)

V y,Ed

Effort tranchant de calcul suivant l’axe y-y

V z,Ed

Effort tranchant de calcul suivant l’axe z-z

M y,Ed

Moment fle´ chissant de calcul par rapport a` l’axe fort

M z,Ed

Moment fle´ chissant de calcul par rapport a` l’axe faible

E

Module d’e´lasticite´ longitudinale (module de Young) (pour l’acier : E = 210 000 MPa)

G

Module d’e´lasticite´ transversale (pour l’acier : G = 80 770 MPa)

n

Coefficient de Poisson (pour l’acier : n = 0,3)

f y

Limite d’e´ lasticite´

2.1 Notions de classes de section

f yw

Limite d’e´ lasticite´ de l’aˆ me

&

f yf

Limite d’e´lasticite´ des semelles

f u

Re´sistance ultime en traction

&

2. Voilement local sous contraintes normales de compression

Le voilement local de´signe le pheńome` ne d’instabilite´ des parois (aˆme, semelle) d’une section sous l’effet des contraintes normales de compression, engendreés par un effort axial de compression et/ ou un moment fle´ chissant (figure 2 ). La sensibilite´ de la section a` ce mode d’instabilite´ de´pend des principaux parame` tres suivants :

Caracte´ ristiques des sections

– l’e´lancement de la paroi, c’est-a`-dire le rapport largeur sur e´paisseur c/t ; – la nuance de l’acier (limite d’e´lasticite´) ;

Les notations utilise´ es pour caracte´riser les dimensions d’une section transversale en I ou H sont donneés a` la figure 1.

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ＴＱ

C 2 553v2 – 3

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＳ ´ RIFICATION DE BARRES EN ACIER VE

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

` s e´ lance´ e et le pheńome`ne de voile Classe 4 : la section est tre ment local est susceptible de se produire avant d’atteindre la limite d’e´lasticite´ dans une fibre quelconque de la section. Une section de classe 4 doit eˆtre ve´rifie´ e vis-a` -vis de la re´sistance e´lastique de la section efficace. Des caracte´ristiques efficaces de section sont calculeés en conside´rant des largeurs efficaces pour les parois comprime´ es de classe 4.

– les conditions d’appui de la paroi, sur un bord (aile de profile´ en I) (figure 3 [6]) ou sur deux bords (aˆ me ou semelle de caisson) ; – la re´ partition des contraintes normales sur la largeur de la paroi. Afin d’appre´ hender ce pheńome` ne, l’Eurocode 3 de´ finit 4 classes de section.

&

Ｒ

´ sis Classe 1 : la section est massive et permet d’atteindre l a re tance plastique (plastification possible de toutes les fibres), avec une capacite´ de de´formation plastique suffisamment importante pour de´velopper une rotule plastique. La capacite´ d’une section a` pouvoir de´ velopper une rotule plastique ouvre la possibilite´ d’une analyse globale plastique pour des ossatures hyperstatiques (redistribution des efforts).

Remarque En ge´ ne´ral, toute ve´rification de la re´sistance d’une barre commence par la de´termination de la classe de la section transversale, afin de savoir s’il est possible de se re´ fe´rer, dans les calculs soit a` : – la re´ sistance plastique de la section (classe 1 ou 2) ; – la re´sistance e´ lastique (classe 3) ; – la re´ sistance e´ lastique de la section efficace (classe 4).

 Classe 2 : la section est suffisamment massive pour permettre l’atteinte de la re´ sistance plastique. Mais elle posse` de une capacite´ de de´ formation plastique qui n’est pas suffisante pour former une rotule plastique.

´ termination de la classe d’une 2.2 De section

Classe 3 : la section est e´ lance´ e et le risque de voilement local ne permet pas d’atteindre la re´sistance plastique. La re´ sistance de la section est limiteé a` l’atteinte de la limite d’e´lasticite´ dans les fibres les plus solliciteés, selon une distribution e´lastique des contraintes normales dans la section. On se re´fe´rera, dans ce cas, a` la re´sistance e´lastique de la section. 

Le tableau 5.2 de la norme NF EN 1993-1-1 donne des limites d’e´lancement pour les parois qui constituent la section transversale. La classe d’une section de´ pend des sollicitations qui lui sont ´ chissant). En principe, il applique´ es (effort axial, moment fle convient de conside´rer une re´partition des contraintes normales qui correspond, soit a` l’e´tat limite de re´sistance plastique (atteinte de la limite d’e´lasticite´ dans toutes les fibres de l a section), soit a` l’e´ tat limite de re´sistance e´lastique (atteinte de la limite d’e´lasticite´ dans les fibres extreˆmes comprimeés selon une distribution triangulaire).

&

Voilement de la semelle

La classe d’une section est la classe la plus e´ leve´ e des parois qui la constituent. Ainsi, pour une section en I ou H, il faut de´terminer la classe de la semelle comprimeé et la classe de l’aˆme. Le tableau 3 donne les limites d’e´lancement (rapport largeur-e´paisseur c/t) pour les parois dites « en console » : c’est-a`-dire avec un bord appuye´ et un bord libre. Le tableau 4 donne les limites d’e´lancement pour les parois appuyeés sur les deux bords. Lorsque la condition relative a` la classe 3 n’est pas respecteé, la paroi est de classe 4.

&

Voilement de l’âme

Figure 2 – Repre´ sentation du voilement local de la semelle ˆ me pour une section en I sous l’effet d’une flexion et de l’a ` son axe de forte inertie par rapport a

Les limites d’e´ lancement de´ pendent d’un parame` tre eˆtre calcule´ par :

&

ε =

avec

f y

e qui

peut

235 f y

limite d’e´lasticite´ de l’acier (exprimeé en MPa.)

Le tableau 2 contient les valeurs du parame` tre e pour des valeurs courantes de la li mite d’e´ lasticite´ des aciers de construction. Dans le tableau 3 , le coefficient de voilement k peut eˆtre calcule´ selon le tableau 4.2 de l’EN 1993-1-5, en fonction du rapport des contraintes aux extre´ mite´ s de la paroi e´tudie´ e (voir tableau 5 ). s

Dans le tableau 4 , le parame`tre a repre´ sente la proportion comprime ´ e de l’aˆme en supposant une distribution plastique des contraintes. Pour une section en I ou H doublement syme´trique,

Tableau 2 – Valeur du coefficient f y

(en MPa) Figure 3 – Voilement local dans la semelle comprime´ e d’un profile´ en I (photo issue des cahiers de l’APK)

C 2 553v2 – 4

e

235

275

355

420

460

1,0

0,924

0,814

0,748

0,714

Copyright © - Techniques de l’Inge´ nieur - Tous droits re´serve´ s

ＴＲ

e


––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

´ RIFICATION DE BARRES EN ACIER VE

´ lancements maximaux pour les parois en console Tableau 3 – E C

C

t f

t f

Flexion compose´ e Paroi comprime´ e

Classes

Bord libre comprime´

Bord libre tendu

aC

+f y

aC

+f y

+f y

Distribution plastique des contraintes normales -f y

C

-f y

C

1

9 e

C

9 ε

9 e / a

α α

10 e

2

10 ε

10 e / a

α α

+f y

Distribution e´ lastique des contraintes normales C

C

3

14 e

21 ε k σ

soumise a` un effort axial et un moment flećhissant d’axe fort, ce parame` tre peut eˆtre calcule´ de la façon suivante : Si NEd ≤ − c tw fy (âme tendue) : Si NEd ≥ + c tw fy (âme comprimée ) :

α =

Si − c tw fy < NEd < + c tw fy

α =

La revue Construction Me´ tallique [1] contient des tableaux qui permettent de de´ terminer rapidement la classe d’un profile´ lamine´ de type IPE, HEA, HEB, etc. pour diffe´rentes nuances d’acier, en compression simple, en flexion simple et en flexion compose´ e par rapport a` l’axe de forte inertie. Il est a` noter que tous les profile´s de la gamme IPE sont de classe 1 en flexion simple, pour les nuances S235 a` S460.

0

α = 1,0

0, 5 1+ NEd / c tw fy 

 (0 ≤ α ≤ 1,0)

(

)

2.3 Caracte´ ristiques efficaces pour une section de classe 4

Dans ce meˆme tableau 4, le parame`tre y est le rapport des contraintes aux extre´mite´s de la paroi e´tudieé, en supposant que la limite d’e´lasticite´ est atteinte dans les fibres comprimeés. Pour une section en I ou H doublement syme´trique, soumise a` un effort axial et un moment fle´ chissant d’axe fort, ce parame`tre peut eˆ tre calcule´ de la façon suivante : ψ

C

2.3.1 Principes Dans le cas ou` la section est de classe 4, il convient de tenir compte du phe´ nome`ne de voilement local sous l’effet des contraintes de compression. Lorsque le voilement local apparaı ˆ t, une redistribution des contraintes normales vers les bords appuye´s se produit (voir figure 4 ).

= 2 NEd / (A f y ) − 1 mais ψ ≤ 1,0

Remarque Il convient de noter que, pour la de´termination des parame`tres ´ finis preće´demment, l’effort normal doit eˆtre positif a et y de pour la compression, et ne´ gatif pour la traction.

Le principe du calcul consiste a` simplifier le diagramme re´ el des contraintes par un diagramme line´ aire sur des largeurs efficaces. Celles-ci doivent eˆtre calcule´ es conforme´ ment a` la norme NF EN 1993-1-5.


ＴＳ

C 2 553v2 – 5

Ｒ

Ｒ

ＴＴ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＲＰ

Constructions me´ talliques Moyens d’assemblage par Jean-Pierre MUZEAU ´ cole Normale Supe´rieure de Cachan Ancien e´le`ve de l’E Docteur d’ e´tat es Sciences Physiques – Professeur des universite´ s Professeur Honoraire et ancien responsable du De´partement Ge´ nie Civil de Polytech’Clermont-Ferrand Pre´sident de l’APK (Association pour la Promotion de l’Enseignement de la Construction Acier)

1.

Contexte ...........................................................................................

2. 2.1 2.2

Classification des moyens d’assemblage .................................. Assemblages avec de´placements ................... ..................... .............. Assemblages sans de´placement.......... ...................... .................... ....

— — —

3 3 3

3.

´ de´ s dans une me ˆ me attache ................. Combinaison de proce

—

3

4.

` des chocs, vibrations ou charges Assemblages soumis a ´ es ........................................................................................... alterne

—

3

5. 5.1 5.2 5.3

` gles d’exe ´ cution .......................................................................... Re Exećution des fixations mećaniques ..................... ..................... ....... Exećution du soudage............. ..................... .................... .................. Classes d’exećution. ...................... .................... ...................... ........... 5.3.1 Classes de conse´quences ..................... .................... ............... 5.3.2 Risques lie´ s a` l’exećution et a` l’exploitation de la structure . 5.3.3 De´termination des classes d’exećution ........................... .......

— — — — — — —

3 3 4 4 4 4 5

6.

Coefficients partiels.......................................................................

—

5

C 2 520v2 – 2

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. C 2 520v2

S œuvre pour reáliser des ouvrages me´talliques, on a recours le plus souvent i le rivetage a longtemps e´ te´ le moyen d’assemblage de pre´dilection mis en

aujourd’hui aux : – boulons ordinaires ; – boulons prećontraints ; – cordons de soudure. ＵＱＰＲｲ･ｩｶｮ｡ｪＺｮｯｩｴ｡､ｩｬ｡ｶ･ｲ￨ｩｮｲ･ｄＭＲＱＰＲｴ ￻ ｯ｡Ｚｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

Les assemblages re´ alise´s a` l’aide de ces produits re´pondent geńe´ ralement a` des principes de fonctionnement tre`s diffe´rents. On trouve a` la suite deux articles consacre´s respectivement aux deux principaux types d’assemblage : – [C 2 521] « Assemblages par proce´de´s mećaniques » ; – [C 2 522] « Assemblages par soudage ». On s’y inte´ resse uniquement aux moyens d’assemblage (ou assembleurs) e´le´- mentaires : les assemblages conside´ re´s dans leur ensemble e´tant expose´ s dans d’autres articles. Au plan re´glementaire europeén, les assemblages de construction me´tallique sont soumis a` des re`gles de calcul de´veloppeés dans l’EN 1993-1-8 et ils sont tenus de respecter les re`gles d’exećution de´finies dans l’EN 1090. Ce premier article constitue une introduction aux deux autres, mentionne´s preće´demment, en pre´sentant le contexte geńe´ral des assemblages, des notions concernant les classes d’exećution, et les coefficients partiels a` utiliser.

Toute reproduction s ans autorisation du C entre français d’exploit ation du droit de cop ie est strictement interdite. – © Editions T.I.

ＴＵ

C 2 520v2 – 1

Ｒ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＲＰ CONSTRUCTIONS ME´TALLIQUES ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1. Contexte

conside´rations sont bien connues en soudage, mais elles ne doivent pas non plus eˆtre oublieés pour d’autres modes d’assemblages (effets de vieillissement par exemple).

La construction me´tallique utilise principalement les moyens d’assemblage traditionnels que sont le boulonnage et le soudage qui recourent a` des assembleurs, respectivement le boulon et le cordon de soudure.

Ｒ

Notons que l’EN 1993-1-8 donne les de´ finitions suivantes. Composant de base (d’un assemblage) Partie d’un assemblage qui apporte une contribution identifieé a` une ou plusieurs des proprie´te´s structurales de cet assemblage. 

Si le rivetage a e´te´ le premier proce´de´ mis en œuvre dans le passe´ , il n’est pratiquement plus utilise´ , sauf dans le cadre de re´ habilitation d’ouvrages anciens ou, en raison de son couˆt tre` s faible, par quelques entreprises posse´dant encore l’outillage ade´quat. Il rest e neánmoins re´ serve´ a` des e´le´ ments spe´ cifiques reálise´ s a` l’atelier (petites poutres en treillis par exemple).



Emplacement ou` deux ou plusieurs e´le´ments se rencontrent (voir figure 1). Pour les besoins du calcul, assemblage des composants de base nećessaires pour repre ´ senter le comportement lors du transfert des sollicitations par l’assemblage.

Soulignons que le terme « assembleur » est souvent utilise´ comme un terme geńe´rique de´signant l’ensemble des organes d’assemblage.

Assemblage Zone d’interconnexion de deux barres ou plus. Pour les besoins du calcul, ensemble des composants de base qui permettent d’attacher des e´le´ments de telle sorte que les sollicitations approprie´ es puissent eˆ tre transmises entre eux. Un assemblage poutre-poteau est compose´ d’un panneau d’aˆ me et, soit d’une seule attache (configuration d’assemblage unilate´rale), soit de deux attaches (configuration d’assemblage bilate´ rale). La figure 1 repre´ sente ces deux configurations. 

&

La fonction principale d’un assemblage est de permettre la ´ unit. transmission correcte des efforts entre les e´ le´ ments qu’il re Ces efforts peuvent eˆtre tre`s importants et sont le plus geńe´ralement statiques ou quasi-statiques (actions gravitaires, actions climatiques, charges d’utilisation a` variations lentes). Mais ils peuvent parfois avoir un caracte` re dynamique (effets de chocs ou de seísmes, vibrations, etc.).

&

Attache

La ruine d’un assemblage peut provenir :

– d’un de´passement des valeurs maximales des efforts a` transmettre ou d’une mauvaise e´ valuation de ces efforts ; – de pheńome`nes de fatigue sous sollicitations alterneés (changement du signe des efforts) ou simplement moduleés (plus ou moins grandes variations d’efforts de meˆme signe).

Les assembleurs entrent donc dans la cate´gorie des composants de base. Soulignons enfin que la re´sistance d’un assemblage est toujours de´termineé sur l a base de la re´sistance individuelle de ses composants et, notamment, des assembleurs.

&

` nes de fatigue (EN 1993-1-9) sont a` e´tudier tout parLes phe´ nome ticulie`rement en cas de risque de rupture fragile, qui peut de´pendre :

Assemblage

– de la nature de l’acier constitutif ; – de la structure ; – des traitements subis lors de l’assemblage (e´ crouissage, effets thermiques lors du soudage, etc.). En particulier, mais pas exclusivement, la construction soude´ e me´rite qu’une attention toute particulie`re soit apporteé aux aspects de re´sistance a` la fatigue. Lorsqu’une structure est soumise a` des actions re´pe´teés un grand nombre de fois, sa conception, et tout spećialement celle des de´tails constructifs, doit se faire en fonction de la fatigue. A` de´faut de proce´der de la sorte, le concepteur s’expose a` des de´sagre´ments se´rieux, ainsi qu’en te´moignent les nombreux de´sordres rencontre´s sur certains ouvrages.

Attache

a

configuration unilatérale

&

Parmi les causes de rupture interviennent aussi les contraintes maximales qui peuvent eˆtre tre`s supe ´ rieures aux contraintes moyennes de calcul, en raison de concentrations de contraintes dues aux formes des attaches et des e´le´ments assemble´s (variations brusques de sections, trous, de´fauts de coupe, etc.), aux amorces de fissures ou microfissures dues a` l’usinage ou a` l’assemblage (cisaillage, poinçonnement des trous, fissurations de cordons de soudure, etc.).

Assemblage droit

Attache gauche

Meˆme en l’absence de sollicitations de fatigue, la rupture fragile risque donc d’apparaı ˆ tre par concentration de contraintes. Au-dela` d’un calcul de re´sistance geńe´ralement sommaire correspondant assez bien aux sollicitations statiques, la re´sistance d’un assemblage de´ pend toujours de la conception de l’attache et des conditions de fabrication, combineés avec des qualite´s du me´tal de´pendant de sa composition chimique et de son mode d’e ´ laboration (traitements thermiques passifs ou actifs). Ces

C 2 520v2 – 2

Attache droite

Assemblage gauche b

configuration bilatérale

Figure 1 – Diffe´ rence entre « attache » et « assemblage »


ＴＶ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＲＱ

Constructions métalliques Assemblages par procédés p rocédés mécaniques mécaniques Ｒ

Jean-Pierre ierre MUZEA MUZEAU U par Jean-P Ancien élève de l’École Normale Supérieure de Cachan Docteur d’état ès Sciences Physiques Professeur des Universités Responsable du Département Génie Civil du CUST, Institut des Sciences de l’Ingénieur de l’Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand Clermont-Ferrand

1.1 1.2 1.3 1.4

Boul Bo ulon ons s tr trad adit itio ionn nnel els s... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... Caract Cara ctér éris isti tiqu ques es gén génér éral ales es.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Mise Mi se en œuvr œuvree .. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Disp Di spos osit itio ions ns co cons nstr truc ucti tive ves.. s.... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Mode Mo dess de tr tran ansm smis issi sion on de dess ef effo fort rts.. s.... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

2.

Bo ul ulo ns ns i nj njec té tés .. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

—

11

3.

Rivelo Riv elons ns et boul boulons ons sert sertis is pré précont contrai raints nts .......................................... 3.1 Prés 3.1 Présen entat tatio ion n .. .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 3.22 Pr 3. Prin inci cipe pe de de mise mise en en œuvr œuvree .. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 3.33 Fon 3. onct ctio ionn nnem emen entt mé méca cani niqu quee de dess bo boul ulon onss se serrti tiss pr préc écon ontr trai aint nts. s... .... .... .... .... .... .... ....

— — — —

12 12 12 13

Cas Ca s des des gro group upes es de fixa fixati tion ons s.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 4.1 Rési 4.1 Résist stan ance ce de gr grou oupe pess de fix fixat atio ions... ns..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 4.22 As 4. Asse semb mbla lage gess lo long ngss .. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

— — —

13 13 13

Ri ve veta ge ge à ch cha ud ud .. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

—

14

Procéd Pr océdés és nouv nouveau eaux x ou en cours cours de mise mise au point point......................... 6.1 Proc 6.1 Procéd édés és pour pour profi profils ls ouve ouvert rts. s... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 6.22 Pr 6. Proc océd édés és po pour ur as asse semb mbla lage gess av aveu eugl gles es.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 6.33 Pr 6. Proc océd édés és pour pour él élém émen ents ts mi minc nces... es..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

— — — —

14 14 17 20

7.

Atta At tach ches es par par axes axes d’ar d’arti ticul culat atio ion n.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

—

21

8.

Conn Co nnec ecte teur urs s clo cloué ués s.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

—

22

1.

4.

5. 6.

Pour en savoir plus ...... ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ........

ＲＱＰＲｴ ￻ ｯ｡Ｚｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

C 2 521 - 2 — 2 — 3 — 4 — 6

Doc. C 2 523

es articles de Constructions métalliques concernant les procédés d’assemblage ont été subdivisés en plusieurs parties : — [C 2 520] « Moyens Moyens d’assemblage d’assemblage » ; — [C 2 521] « Assemblage Assemblage par procédés mécaniques » ; — [C 2 522] « Assemblage Assemblage par soudage ou par connecteurs » ; — [Doc. C 2 523] « Pour Pour en savoir savoir plus ». Les procédés mécaniques sont ceux qui utilisent des assembleurs constitués de pièces métalliques cylindriques disposées dans des trous pratiqués dans les pièces à assembler. Il s’agit donc des différentes catégories de boulons, rivets, clous, etc. Ces assembleurs assurent la transmission des efforts : — soi soitt par buté butéee ; — soit par mobilisation du frottement entre les pièces assemblées ; — soit par la mise en traction traction des assembleurs assembleurs ;

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques Techniques de l’Ingénieur

ＴＷ

C 2 521 − 1


CONSTRUCTIONS MÉTALLIQUES _____________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________ ____________________

— soit par combinaison combinaison de ces sollicitation sollicitations. s. Dans tous les cas, la vérification de la résistance d’assemblages réalisés par un procédé mécanique nécessite la vérification conjointe de la résistance des assembleurs proprement dits mais aussi celle des pièces assemblées.

Ｒ

1. Bou Boulon lons s tra traditi ditionn onnels els

Écrou

Tête Parttie fil Par filttré rée e

Un boulon traditionnel (figure 1) est un ensemble constitué d’une vis, d’un écrou et, le cas échéant, de une ou deux rondelles. En construction métallique, les têtes de vis sont généralement de forme hexagonale. Du fait de sa simplicité de pose et des possibilités de réglage qu’il autorise, le boulonnage est un moyen d’assemblage très utilisé.

d

Parttie lisse Par Rondell lle e

Figure Figur e 1 – Const Constituan ituants ts d’un boul boulon on

1.1 Carac Caractéris téristique tiques s génér générales ales Tableau 1 – Valeurs nominales de la limite d’élasticité f yb et de la résistance ultime à la traction f ub des boulons ordinaires

Les boulons traditionnels peuvent être classés selon leur mode de mise en œuvre qui conditionne également le mode de transmission des efforts. On distingue les boulons ordinaires, mis en place par un serrage sans spécification particulière, et les boulons précontraints pour lesquels le serrage est contrôlé. 1.1 .1.1 .1 Boulo Boulons ns ordinaires ordinaires

Les boulons ordinaires sont encore appelés boulons normaux. Ce sont, par principe, des boulons non précontraints. Les caractéristiques mécaniques de leurs aciers constitutifs sont données dans le tableau 1. (0) Le classe de qualité est telle que le premier nombre représente 1/100 de la limite de rupture f ub et que le produit des deux nombres est égal à 1/10 de la limite d’élasticité f yb ; ces deux quantités étant exprimées en MPa.

Classe

4 .6

4 .8

5 .6

5 .8

6 .8

8 .8

1 0 .9

(MPa) f yb............ (M

240

320

300

400

4 80

640

900

(MPa) f ub ........... (M

400

400

500

50 0

600

800

1 000

Ces caractéristiques mécaniques sont définies dans les normes EN ISO 898-1 pour la vis et EN ISO 898-2 pour l’écrou. Elles peuvent être obtenues par écrouissage (classe 6.8) ou par traitement thermique (classes 8.8 et 10.9). Les classes 6.8, 8.8 et 10.9 sont les plus courantes, notamment parce qu’elles conduisent à un nombre réduit de boulons. Les caractéristiques dimensionnelles principales des boulons ordinaires sont données dans le tableau 2. Les normes qui les régissent dépendent de leur classe de qualité.

À titre d’exemple, un boulon de classe 6.8 possède une limite d’élasticité f yb = 6 × 8 × 10 = 480 MPa et une résistance à la traction ultime f ub = 6 × 100 = 600 MPa.

(0) (0)

Tableau 2 – Aires des sections lisses et des sections filetées des boulons ordinaires

Diamètre nominal d d ............................. (mm)

8

10

12

14

16

18

20

22

24

27

30

Diamètre du trou d 0 ............................ (mm)

9

11

13

16

18

20

22

24

26

30

33

rondelle ............................................ (mm) ∅ ro

16

20

24

27

30

34

37

40

44

50

55

Épaisseur rondelle............................... (mm)

2 ,5

2 ,5

3

3

3

4

4

4

4

5

5

Hauteur d’écrou ................................... (m (mm)

6 ,8

8 ,4

1 0 ,8

1 2 ,8

1 4 ,8

1 5 ,8

18

1 9 ,4

2 1 ,5

2 3 ,8

2 5 ,6

Hauteur de tête .................................... (mm)

5 ,3

6 ,4

7 ,5

8 ,8

10

1 1 ,5

1 2 ,5

14

15

1 7 ,5

19

Section nominale A ............................(mm 2)

5 0 ,2

7 8 ,5

113

154

201

254

314

380

45 2

573

707

Section résistante A s .........................(mm 2)

3 6 ,6

58

8 4 ,3

115

157

192

245

303

353

459

561

C 2 521 − 2


ＴＸ


_______________________________________________________ __________________________ _________________________________________________________ __________________________________________________ ______________________ CONSTRUCTIONS MÉTALLIQUES

Tableau 3 – Caractéristiques dimensionnelles des boulons HR Diamètre nominal d d ............................. (mm)

12

14

16

18

20

22

24

27

30

Diamètre du trou d 0 ............................ (mm)

13

16

18

20

22

24

26

30

33

∅ rondelle ............................................ (mm)

24

27

30

34

37

40

44

50

55

Épaisseur rondelle ............................... (mm)

3

3

3

4

4

4

4

5

5

Hauteur d’écrou ................................... (mm)

11

13

15

16

18

20

22

24

27

Hauteur de tête .................................... (mm)

8

9

10

12

13

14

15

17

19

Dimension des clés (1) ........................ (m (mm)

1 9 /2 2

2 2 /24

2 4 /2 7

2 7 /3 0

3 0 /3 2

3 2 /3 6

3 6 /4 1

4 1 /4 6

4 6 /5 0

Section nominale A ............................(mm 2)

113

154

2 01

254

314

380

452

573

707

Section résistante A s..........................(mm 2)

8 4 ,3

115

157

192

245

303

353

459

561

(1) les deu deuxx nomb nombres res a / b sont tels que a correspond aux boulons HR 8.8 et b aux aux boulons HR 10.9. b sont

(80 % du diamètre nominal de la vis) et par l’absence d’un essai d’aptitude à l’emploi sur boulon entier. En conséquence, les deux remarques formulées précédemment pour les boulons HR ne sont plus vraies pour les boulons HV (rupture ductile et qualité de mise en œuvre). Ces derniers ne devraient donc pas être utilisés en lieu et place de boulons HR. Par contre, leur utilisation reste possible à condition de respecter scrupuleusement les prescriptions fournies par leurs fabricants. Notons cependant que, maintenant, les boulons HV sont traités par l’Eurocode 3 de la même manière que les boulons HR.

1.1 .1.2 .2 Boulons à haute résistance

Les boulons à haute résistance (ou boulons HR) sont des boulons aptes à être précontraints lors de la mise en œuvre. On les appelle encore boulons « à serrage contrôlé ». Ils sont réalisés dans des aciers à haute limite d’élasticité de qualité 8.8 et 10.9 et ils doivent comporter un marquage spécifique « HR » sur chaque élément du boulon (vis, écrou et rondelle), ce qui n’est pas le cas des boulons ordinaires de classe de qualité identique. Leurs caractéristiques dimensionnelles sont données dans le tableau 3. Les caractéristiques mécaniques minimales de ces produits sont régies par les normes NF E 27-70 27-7011 et NF E 27-702. Elles sont impérativement obtenues par traitement thermique (une trempe suivie d’un revenu). Deux points importants doivent être soulignés pour les boulons HR : — les hauteurs hauteurs d’écrous, plus plus importantes importantes que pour les boulons ordinaires (90 % du diamètre nominal du boulon), conduisent à une ruine en traction par rupture ductile de la tige de la vis et non pas par arrachage des filets ; — ils sont livrés complets complets sous emballage emballage étanche étanche afin de garantir la valeur et la tenue dans le temps du coefficient k qui déterminera l’intensité du couple à appliquer lors du serrage pour obtenir la précontrainte désirée. Les garanties de performance des boulons HR portent sur les caractéristiques suivantes : — limite d’élasticité, résistance et allongement de la vis soumise à un essai de traction ; — résili résilience ence de la vis ; — dureté de chaque chaque composant (vis, (vis, écrou et rondelle) rondelle) ; — charge d’épreuve d’épreuve sur sur l’écrou ; — aptitud aptitudee à l’emploi sur le boulon entier avec avec détermination détermination du coefficient k de de rendement du couple de serrage. Certaines des caractéristiques dimensionnelles des boulons HR diffèrent de celles des boulons ordinaires (voir tableaux 2 et 3). Celles des boulons à haute résistance sont définies dans la norme NF E 27-711.

1.1 .1.4 .4 Désignation des boulons

La désignation d’un boulon se fait par la lettre M (pour métrique) suivie de la valeur du diamètre nominal d en en mm. La mention HR indique qu’il s’agit d’un boulon à haute résistance. À titre d’exemple, un boulon M27 – 6.8 représente un boulon ordinaire de diamètre nominal 27 mm et de classe de qualité 6.8. Un boulon M24 – HR 10.9 NF représente un boulon HR à serrage contrôlé de diamètre nominal 24 mm et de qualité 10.9 respectant la norme NF. NF.

1.2 Mis Mise e en œuvr œuvre e La mise en œuvre des boulons s’effectue au moyen de clés. Elle dépend du type de boulon. 1.2.1 Boul Boulons ons ordinaires ordinaires

Pour les boulons ordinaires, aucune précaution particulière n’est exigée pour le serrage si ce n’est de mettre en contact les pièces assemblées. En général, aucune rondelle n’est nécessaire. 1.2.2 Boulons précontraints

Pour les boulons HR à serrage contrôlé, la précontrainte installée dépend de la qualité et de la fiabilité de la mise en œuvre. Une des rondelles livrées avec le boulon doit obligatoirement être disposée sous l’élément mis en rotation lors du serrage (l’écrou en général). L’utilisation de la seconde rondelle est facultative mais elle facilite la répartition de la pression sur la pièce assemblée. Le serrage peut être obtenu de quatre manières différentes : — par le contrôle contrôle du couple couple ; — par la méthode par par la mesure de l’angle l’angle ; — par la méthode dite du « tour tour d’écrou » ou méthode mixte ; — par tractio traction n directe. directe.

1.1 .1.3 .3 Boulo Boulons ns HV DIN DIN

Ce sont des boulons très répandus sur le marché européen car ils sont moins onéreux que les boulons HR. Ils sont quelquefois utilisés comme boulons précontraints alors qu’ils n’en possèdent pas les caractéristiques mécaniques. Les boulons HV répondent aux spécifications de la norme DIN allemande. Cela se traduit par des exigences moins sévères en ce qui concerne la limite d’élasticité, par des performances inférieures vis-à-vis de la rupture fragile, par une hauteur d’écrou plus faible


ＴＹ

C 2 521 − 3

Ｒ


CONSTRUCTIONS MÉTALLIQUES __________________________________________________________________________________________________________

■

Serrage au couple

Le serrage au couple s’effectue en appliquant la relation suivante : C = k F p,C d

Ｒ

p

1

Sens de l'effort

avec C couple à appliquer, diamètre du boulon, d rendement vis-écrou, k F p,C précontrainte désirée (F p,C = 0,7 f ub A s ). Le couple est contrôlé à l’aide d’une clé dynamométrique manuelle ou d’une clé à chocs soigneusement calibrée. Le coefficient k dépend du lubrifiant utilisé. Il est fourni par le fabricant. Ses valeurs sont généralement comprises entre 0,10 et 0,15. À titre d’exemple, un boulon M27 – HR 10.9 NF avec nécessite le couple de serrage suivant : C = ■

0,15 ×

k =

×

e 2

p 1

avec

α

t (mm) d (mm)

0,15

p 2

×

e 2

L

Figure 2 – Pinces et entraxes

90o + t + d

angle de rotation, en degrés, à appliquer après un serrage de contact effectué manuellement, épaisseur de l’assemblage, diamètre du boulon.

p 1 Sens de l'effort

p 1.0

Serrage par traction directe

Sens de l'effort

La méthode de serrage par traction directe est réservée aux boulons de gros diamètre. Elle consiste à appliquer un effort de traction dans la vis à l’aide d’un vérin et à bloquer l’écrou avant de relâcher l’effort. Critique des méthodes de serrage

p 1.i

Sens de l'effort

Figure 3 – Entraxes pour trous en quinconce

En France, actuellement, seule la méthode de serrage au couple est admise. Si un contrôle s’avère nécessaire, on applique un couple égal à 96 % du couple de pose et l’écrou ne doit pas tourner de plus de 10o. Si ce n’est pas le cas : — si l’écrou tourne de plus de 10o, tous les boulons doivent être vérifiés (et resserrés si nécessaire) ; — s’il n’est pas possible d’atteindre le couple de contrôle malgré une rotation importante de l’écrou, cela signifie que les boulons sont surserrés et qu’ils sont plastifiés. Il convient alors de les remplacer.

1.3.1 Notations

Les d d 0 p 1

notations principales (figures 2, 3 et 4) sont les suivantes : diamètre nominal d’un boulon, diamètre nominal du trou ou diamètre d’un rivet, entraxe des fixations dans une rangée dans la direction de la transmission des efforts, p 2 entraxe, mesurée perpendiculairement à la direction de la transmission des efforts, entre des rangées de fixations adjacentes, p 1,0 entraxe des fixations dans une rangée de rive d’une pièce tendue avec trous en quiconce dans la direction de la transmission des efforts (figure 3), p 1,i entraxe des fixations dans une rangée intérieure d’une pièce tendue avec trous en quinconce dans la direction de la transmission des efforts (figure 3), e 1 pince longitudinale entre le centre d’un trou de fixation et le bord adjacent d’une pièce quelconque, mesurée dans la direction de l’effort transmis,

1.3 Dispositions constructives Nous indiquons ci-après les dispositions constructives relatives aux assemblages boulonnés ou rivés les plus courants. Pour les structures réalisées avec des aciers à résistance améliorée vis-à-vis de la corrosion atmosphérique, le lecteur est invité à consulter l’Eurocode 3.

C 2 521 − 4

Sens de l'effort

p 2

Serrage par la méthode dite du « tour d’écrou »

La méthode de serrage par la méthode dite du « tour d’écrou » consiste à combiner les deux méthodes précédentes. Dans un premier temps, un préserrage est appliqué à l’aide d’une clé dynamométrique jusqu’à une valeur de précontrainte égale à une fraction de la précontrainte définitive (par exemple 40, 60 ou 75 % de la précontrainte requise pour l’assemblage). Dans un deuxième temps, on fait subir une rotation contrôlée à l’écrou de 60, 90 ou 120o (valeur obtenue après essais).

■

Sens de l'effort

p 2

Serrage contrôlé par la mesure de l’angle

α =

■

e 1

e 2

Le serrage contrôlé par la mesure de l’angle s’effectue en appliquant la relation suivante :

■

e 2

p 2

0,7 1 000 459 27 = 1,3 kN · m ×

e 1

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_________________________________________________________________________________________________________ CONSTRUCTIONS MÉTALLIQUES

Ligne de trusquinage

e 3 d 0 0,5 d 0

e 4

Figure 4 – Pince longitudinale et pince transversale pour trous oblongs a

Ｒ t

Cote de trusquinage des cornières

b

Figure 6 – Position de la ligne de trusquinage

Dans le cas d’un chargement statique (prEN 1993-1-8), ces conditions sont les suivantes. Entraxes : ■

Zone de serrage entre les pièces assemblées

prédominant

2,2 d 0  p 1  Min ( 14 t ou 200 mm ) 2,4 d 0  p 2  Min ( 14 t ou 200 mm ) p 1,0  Min ( 14 t ou 200 mm ) p 1,i  Min ( 28 t ou 400 mm ) Pour les rangées de fixations en quinconce, un espacement minimal entre rangées p 2 = 1,2 d 0 peut être utilisé, à condition que la distance minimale L entre deux fixations quelconques (figure 2) soit telle que L  2,4 d 0 . Pinces pour des pièces non exposées aux intempéries : 1,2 d 0  ( e 1 ou e 2 )

Limites des zones de serrage

Figure 5 – Distance maximale entre boulons

e 2 e 3 e 4 t

Pinces pour des pièces exposées aux intempéries ou à d’autres influences corrosives :

pince transversale entre le centre d’un trou de fixation et le bord adjacent d’une pièce quelconque, perpendiculairement à la direction de l’effort transmis, distance entre l’axe d’un trou oblong et l’extrémité ou bord adjacent d’une pièce quelconque (figure 4), distance entre le centre de l’arrondi d’extrémité d’un trou oblong et l’extrémité ou bord adjacent d’une pièce quelconque (figure 4), épaisseur de la pièce attachée extérieure la plus mince.

1,2 d 0  ( e 1 ou e 2 )  4 t + 40 mm Pinces pour trous oblongs : 1,5 d 0  ( e 3 ou e 4 ) Dans le cas d’exigences de comportement à la fatigue (prEN 1993-1-9, les pinces et entraxes minimaux sont augmentés de la manière suivante : 1,5 d  ( e 1 ou e 2 ) ■

2,5 d  ( p 1 ou p 2 )

1.3.2 Conditions de distance entre boulons ou rivets

Les conditions maximales ont pour but d’éviter la corrosion entre les pièces assemblées. Les zones de serrage des organes d’assemblage doivent se recouvrir afin que l’eau ne puisse pas s’infiltrer par capillarité entre les éléments de la liaison (figure 5). Elles visent également à éviter le voilement local des pièces assemblées dans la zone comprise entre deux assembleurs dans le cas où elles sont comprimées. Les conditions minimales sont destinées à laisser suffisamment de place entre les organes d’assemblage pour permettre une pose correcte (encombrement des clés notamment).

1.3.3 Dispositions recommandées

Les assembleurs sont disposés sur la ligne de trusquinage , une ligne parallèle au bord de l’élément (figure 6). Le respect des diamètres des organes de liaison correspondant à chaque profil, assure une pose et un serrage corrects de chacun des éléments sur les parties planes des profilés. Les cotes de cette ligne de trusquinage ainsi que les diamètres des boulons préférentiels, sont définis dans les catalogues de produits sidérurgiques (voir documentation OTUA, par exemple). (0)

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＲＲ

Constructions me´ talliques Assemblages par soudage par Jean-Pierre MUZEAU ´ cole Normale Supe´rieure de Cachan Ancien e´le`ve de l’E Docteur d’e´ tat es Sciences Physiques – Professeur des universite´ s Professeur Honoraire et ancien responsable du De´partement Ge´ nie Civil de Polytech’Clermont-Ferrand Pre´sident de l’APK (Association pour la Promotion de l’E nseignement de la Construction Acier)

1.5

´ s de soudage ..................................................................... Pro ce´ de Terminologie.............. ...................... ..................... .................... .......... 1.1.1 Composants et zones d’un cordon de soudure...................... 1.1.2 Selon position du cordon pendant le soudage .................... .. Proce´de´s de soudage et leur emploi ................... .................... .......... 1.2.1 Soudage manuel avec e´lectrode enrobeé ................. ............. 1.2.2 Proce´de´s automatiques et semi automatiques ...................... 1.2.3 Structure et proprie´te´s des soudures ............................... ...... Pheńome`nes thermomećaniques .............................. ...................... .. 1.3.1 Retrait thermique..................................................................... 1.3.2 Pre´sence de contraintes re´siduelles ................... .................... 1.3.3 Risque de trempe .................... ..................... .................... ....... De´fauts rencontre´s dans les soudures ................... ..................... ...... 1.4.1 De´faut ge´ ome´triques ................................. .................... .......... 1.4.2 Inclusions ................... ..................... .................... ..................... 1.4.3 De´faut me´tallurgiques .................... ...................... ................... Controˆle des soudures .................... ..................... .................... ..........

C 2 522v2 – — — — — — — — — — — — — — — — —

2 2 2 3 3 3 4 5 6 6 6 7 7 7 7 7 8

2. 2.1 2.2 2.3 2.4

Types de soudures .......................................................................... Soudures bout a` bout .................... ...................... .................... .......... Cordons d’angle .................... .................... .................... ..................... Soudures en bouchon et entaille....................................................... Soudures par points...........................................................................

— — — — —

8 8 8 8 8

3. 3.1

3.3

Calcul des cordons de soudure .................................................... Calcul des soudures bout a` bout ..................... ..................... ............. 3.1.1 Soudures bout a` bout a` pe´ ne´trati on comple` te ... ..... .... ..... ..... 3.1.2 Soudures bout a` bout a` pe´ ne´tratio n partielle .... ..... ..... ..... ..... 3.1.3 Distribution de contraintes dans les soudures bout a ` bout... Calcul des cordons d’angle................................................................ 3.2.1 Cordons d’angle selon la direction de l’effort ........................ 3.2.2 Gorge utile .................. ..................... ..................... ................... 3.2.3 Longueur efficace d’une soudure d’angle ................. ............. 3.2.4 Re´sistance d’un cordon d’angle .................... .................... ...... Calcul des soudures en bouchon et entaille .....................................

— — — — — — — — — — —

9 9 9 9 9 10 10 10 10 10 12

4. 4.1 4.2

Goujons soude´ s ............................................................................... Description et mise en œuvre............................................................ Re´sistance de calcul des goujons soude´s ..................... ....................

— — —

12 12 13

1. 1.1

1.2

1.3

1.4

3.2

ＵＱＰＲｲ･ｩｶｮ｡ｪＺｮｯｩｴ｡､ｩｬ｡ｶ･ｲ￨ｩｮｲ･ｄＭＲＱＰＲｴ ￻ ｯ｡Ｚｮｯｩｴｵｲ｡ｐ


es articles concernant les moyens d’assemblage utilise´ s dans les construc-

L tions me´talliques ont e´te´ subdivise´s en plusieurs parties : – [C 2 520] « Moyens d’assemblages » ; – [C 2 521] « Assemblages par proce´de´s mećaniques ».


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＲＲ CONSTRUCTIONS ME´TALLIQUES ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Ce troisie`me article concerne les techniques d’assemblage par soudage . Le soudage est un proce´de´ d’assemblage permanent obtenu par fusion localise´ e du me´tal des pie`ces a` assembler dans la zone du joint. Il existe trois me´ thodes principales pour creér la chaleur nećessaire au soudage : – la flamme oxyace´ tyle´ nique ; – la re´sistance au passage d’un courant ; – l’arc e´ lectrique.

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Chaque me´ thode produit un bain d’acier en fusion que l’on doit prote´ger de la contamination atmosphe´rique car l’acier fondu est susceptible d’absorber les gaz contenus dans l’air ce qui peut rendre la soudure poreuse et conduire ainsi a` des proble`mes mećaniques et me´tallurgiques. La me´thode utiliseé pour reáliser cette protection a une influence pre´ponde´rante sur les caracte´ristiques du mode ope´ratoire. Le chalumeau oxyace´ tyle´ nique est plutoˆ t utilise´ pour le dećoupage des pie` ces bien qu’aujourd’hui les proce´de´s de dećoupe au laser ou au plasma soient de plus en plus courants. Les proce´de´s par re´sistance trouvent une application dans le soudage par points des e´le´ments minces. Pour l’assemblage par soudage d’e´le´ments de constructions en acier, les modes ope´ratoires les plus couramment utilise´ s sont fonde´ s sur l’arc e´lectrique. Dans un premier temps, cet article pre´sente les diffe´rents proce´de´s de soudage disponibles en construction me´tallique ainsi que les multiples pheńome`- nes qui y sont associe´ s. La deuxie` me partie concerne la pre´sentation des types de soudures : – soudures bout a` bout ; – cordons d’angle ; – soudures en bouchon ; – soudures par points. La troisie`me partie pre´sente le calcul des cordons de soudure au sens de l’EN 1993-1-8. Si les soudures bout a` bout ne nećessitent geńe´ralement aucun dimensionnement spećifique lorsqu’elles assurent la continuite´ geóme´trique et mećanique des pie`ces assembleés, il n’en est pas de meˆme pour les autres types de cordons dont le calcul de´pend essentiellement de leur orientation par rapport a` la direction de l’effort a` attacher. La dernie`re partie de l’article s’attache a` souligner les particularite´s du soudage de goujons destine´s a` assurer la connexion entre l’acier et le be´ton en construction mixte.

1.1 Terminologie

´ de ´ s de soudage 1. Proce

1.1.1 Composants et zones d’un cordon de soudure Les t ermes utilise´ s pour caracte´riser un cordon de soudure sont les suivants (figure 1 ) :

L’ope´ration de soudage par fusion avec fil-e´ lectrode fusible, consiste a` faire fondre un me´ tal d’apport, procure´ par le fil e´lectrode, en meˆme temps que les parties adjacentes des e´le´ments a` assembler. Le me´tal fondu provenant de chaque e´le´ment est reúni au niveau du joint dans un bain de me´tal qui comble l’interface.

– le me´ tal de base est le mate´ riau constitutif des e´le´ments a` souder ; – le me´ tal d’apport est la matie` re dont est constitue´ e l’e´lectrode utiliseé dans le processus de soudage ; – la racine de´signe l’endroit de l’assemblage jusqu’ou` le me´tal d’apport a peńe´tre´ ; – la face repre´sente la surface exte´ rieure de la soudure ; – le pied correspond a` la ligne de se´ paration repe´ reé sur la face de la soudure, entre le me´tal de base et l e me´ tal d’apport ; – la zone affecte´ e thermiquement (ou ZAT) est la partie du mate´riau de base qui n’est pas rentre´ e en fusion en meˆ me temps que le me´tal d’apport, mais qui a subi un ećhauffement et un

Au fur et a` mesure que le bain de fusion se refroidit, le me´ tal fondu qui se trouve a` la limite de fusion se solidifie, formant un lien solide avec le me´tal de base. Quand la solidification est totale, il y a continuite´ du me´ tal a` travers le joint. Dans le soudage a` l’arc, on utilise ge´ ne´ralement un flux en poudre ou un gaz pour prote´ger le bain de fusion contre l’action de l’air.

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＲＲ ´ –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– C ONSTRUCTIONS METALLIQUES

Métal d’apport Racine Soudure bout à bout

Métal de base

Pied Face

Pied Pied a

Face

Ｒ

berceau orientable seul

Pied Soudure d’angle

Racine Zone affectée thermiquement Figure 1 – Terminologie employe´ e pour les soudures b

avec pièce à souder en position

Figure 3 – Berceaux orientables Soudure en bout au plafond

Cordon d’angle au plafond Soudure en bout à la verticale Soudure en bout horizontale Cordon d’angle à plat

Soudure en bout à plat

` l’arc Figure 4 – Soudage a

1.2 Proce´ de´ s de soudage et leur emploi Figure 2 – Terminologie des cordons selon la position de soudage

Les proce´ de´s de soudage utilise´s en construction me´ tallique peuvent eˆtre classe´ s en trois cate´ gories :

refroidissement tre`s rapides au passage de l’arc de soudage. Dans cette zone, la structure me´ tallographique du mate´ riau de base est modifieé. Il en re´ sulte un durcissement de l’acier et, de`s lors, une plus grande sensibilite´ du de´ tail soude´ a` la rupture fragile.

– soudage manuel : reste le seul moyen possible pour re´ aliser des soudures d’acce` s difficile ou des soudures de petite longueur ; – soudage semi-automatique qui proce`de par avancement automatique de l’e´lectrode avec une torche tenue a` la main. Ce proce´de´ de soudage est le plus couramment utilise´ ; – soudage automatique, pour lequel la teˆ te de soudage est monteé, soit sur un chariot dont l’avancement est automatique, soit sur un robot de soudage. Il permet notamment de re´ aliser des soudures continues d’une certaine longueur : assemblage aˆme/semelles des profile´ s reconstitue´ s soude´ s (PRS) par exemple.

1.1.2 Selon position du cordon pendant le soudage Les cordons sont deńomme´s en f onction de leur position pendant l ’ope´ration de soudage (figure 2 ). Bien e´videmment, pour obtenir une tre`s bonne qualite´ de soudure, certaines positions sont plus favorables que d’autres. En effet, meˆ me s’i l est possible d’exećuter une soudure au plafond, du fait de la gravite´, elle sera plus de´ licate a` reáliser qu’une soudure a` plat.

´ lectrode enrobe´ e 1.2.1 Soudage manuel avec e Le soudage manuel avec e´lectrode enrobeé (figure 4) constitue l’un des modes ope´ratoires de soudage a` l’arc le plus re´ pandu. Il nećessite un personnel tre` s qualifie´ pour que les soudures ainsi reálise´ es soient de bonne qualite´ .

La solution consiste donc a` retourner les pie` ces a` souder lorsque cela est possible afin de faire en sorte que la soudure puisse eˆ tre exećuteé a` plat. En atelier, il existe des berceaux orientables dans lesquels on introduit des parties de structure preálablement assembleés par des soudures de pointage (voir § 1.3.1). Ces berceaux sont manipule´s de manie`re a` amener le joint a` reáliser dans la meilleure position possible. La figure 3 repre´ sente un tel dispositif.

&

Pre´ cisions techniques

L’e´lectrode est constitue´ e d’un cœur en acier d’un diame`tre de 3 a` 8 mm et d’un flux d’enrobage pe´riphe´rique contenant des


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＱ

Composants me´ talliques tendus et comprime´ s par

¨ l COUCHAUX Mae Docteur Ingeńieur en Geńie Civil de l’INSA de Rennes Chef de projet de recherche au CTICM

1. 1.1 1.2

1.3

1.4

2. 2.1 2.2

2.3

2.4

Composants tendus ........................................................................ De´finitions et domaine d’utilisation .................... .................... .......... Comportement et dimensionnement................... .................... .......... 1.2.1 Modes de ruine........................................................................ 1.2.2 Crite`res de dimensionnement.. .................... .................... ....... Assemblages .................... ..................... ..................... .................... .... 1.3.1 Assemblages soude´s ..................... ..................... ..................... 1.3.2 Assemblages boulonne´s ................... .................... .................. 1.3.3 Exemples d’application .................. ..................... .................... Conception ................... ..................... ...................... .................... ....... 1.4.1 Avantages et inconveńients des diffe´ rents types de sections 1.4.2 Structures a` caˆbles .................... ...................... .................... .... Composants comprime´ s ................................................................ De´finition et domaine d’utilisation ................... .................... ............. Comportement et dimensionnement................................................. 2.2.1 Flambement ...................... .................... .................... ............... 2.2.2 Voilement ...................... ..................... ..................... ................. 2.2.3 Crite`res de dimensionnement.. .................... .................... ....... 2.2.4 De´termination pratique de la longueur de flambement ........ Conception ................... ..................... ...................... .................... ....... 2.3.1 Proce´dure de conception................ ..................... .................... 2.3.2 Avantages et inconveńients de diffe´ rents types de sections . 2.3.3 Applications .................. ..................... .................... .................. Assemblages ................... ...................... ..................... .................... .... 2.4.1 Crite`res de dimensionnement.. .................... .................... ....... 2.4.2 Applications .................. ..................... .................... ..................

C 2 551v2 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

–2 2 4 4 4 5 5 6 12 13 13 14 15 15 16 16 19 20 20 22 22 22 23 26 26 27


ans la mesure ou ` leurs comportements et leurs modes de ruine sont diffe´- rents, cet article traite se´pare´ment, et successivement, des composants D tendus, puis des composants comprime´s. Dans chaque cas, la de´finition du composant est donne ´ e, le domaine d’utilisation et les modes de ruine sont de´ crits. Les assemblages e´ tant des e´ le´ments vitaux de toute construction me´tallique, ils font l’objet d’un paragraphe spe´ cifique. D’autre part, un paragraphe entier est consacre´ a` la conception, pre´texte a` faire la synthe`se des exigences de comportement et des crite`res ećonomiques. Enfin, des exemples illustrent et mettent en application les diffe´ rentes notions introduites. Notons que cet article fait partie d’une se´ rie sur les composants me´talliques : – [C 2 550] Conception et dimensionnement ; – [C 2 551] Composants tendus et comprime´ s ; – [C 2 552] Composants flećhis. ＴＱＰＲｴ ￻ ｯ｡Ｚｮｯｩｴｵｲ｡ｐ


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C 2 551v2 – 1

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＱ COMPOSANTS ME´ TALLIQUES TENDUS ET COMPRIME´ S –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1. Composants tendus

&

Dans la pratique, les e´le´ments tendus posse`dent diffe´rentes deńominations : – suspentes ; – aiguilles ; – poinç ons ; – tirants ; – haubans.

´ finitions et domaine d’utilisation 1.1 De Un composant est dit « tendu » ou « en traction pure », lorsque ses extre´mite´s sont soumises a` des efforts qui imposent un allongement uniforme a` toutes ses fibres.



Ｒ

Les suspentes de´signent geńe´ralement des e´le´ments tendus verticaux. Ils servent a` transmettre les charges de tablier aux caˆ bles porteurs des ponts suspendus (figure 4 ), ou aux arcs des ponts de type bow-string (figure 5). Dans des immeubles constitue´s d’un noyau central e´troit en acier ou en be´ ton (figure 6 ) avec des planchers de´bordant de chaque coˆte´, les suspentes servent a` ramener les charges de plancher sur le plafond porteur.

Selon la the´ orie des poutres : un composant est tendu si la re´sultante des efforts s’exerçant sur une section droite quelconque se re´duit a` un effort normal, applique´ au centre de gravite´ G de la section, et dirige´ de la section vers l’exte´rieur de l’e´le´ment, comme illustre´ sur la figure 1. L’axe de l’e ffort normal est tangent a` la fibre moyenne de l’e´le´ment.

L’avantage de ce type de conception est de conduire a` des e´le´ments de sections bien infe´rieures a` celles qu’auraient des poteaux transmettant les charges jusqu’au niveau des fondations.

La contrainte normale s en un point quelconque de la section droite est constante. Elle est donneé par la relation : σ = avec

N A

Le principe est e´galement le meˆme pour des baˆtiments classiques, ou` les appuis inte´ rieurs des planchers sont constitue´ s par des e´le´ments tendus ramenant les charges de plancher sur les fermes.

(1)

N

effort de traction applique´ a` la section droite,

A

aire de la section droite de l’e´le´ment.

Suspentes

Dans le domaine e´ lastique, la de´formation e d’une fibre quelconque est relieé li neáirement a` la contrainte par la loi de Hooke :

&

σ avec

&

E

=

(2)

E ε

module de Young ou module d’e´ lasticite´ longitudinale.

Pour les aciers de construction courants, E = 210 000 N/mm2.

On en de´duit l’allongement relation :

D L d’une

∆L = εL =

avec

L0

` treillis en N Figure 2 – Poutre a

fibre quelconque par la

NL0

(3)

EA

longueur initiale de l’e´ le´ment.

Remarque Le composant tendu est l’e´le´ment de structure me´tallique le plus simple et le plus efficace, car il ne pose aucun proble`me d’instabilite´ de forme. Il est pre´ sent dans presque toutes les ossatures me´talliques. &

Dans les poutres en treillis et pour un cas de chargement donne´ , l’une des deux membrures et certaines diagonales sont tendues (figure 2 ). Selon le sens de l’action horizontale, certaines diagonales de syste`mes de contreventement peuvent eˆ tre des composants tendus, comme le montre la figure 3 .

Figure 1 – Section droite courante a ` droite de la section

C 2 551v2 – 2

S et

Figure 3 – Contreventement vertical d’un long-pan de ba ˆ timent industriel

partie du composant situe´ e Figure 4 – Pont suspendu


ＵＸ


–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

&

Tirants Les e´le´ments tendus incline´ s ou horizontaux sont appele´ s tirants lorsqu’ils servent : 

´ TALLIQUES TENDUS ET COMPRIME´S COMPOSANTS ME

Aiguilles et poinçons

La figure 10 illustre une ferme Polonceau, dont le montant central est en traction pour un chargement de type gravitaire applique´ a` la ferme : ce montant central est parfois appele´ poinçon ou aiguille.

– d’appuis a` des poutres ou des planchers de baˆ timent en portea`-faux (figure 7 ) ; – a` reprendre la composante horizontale de la pousseé de l’arc dans un bow-string (figure 5 ) ; – dans une ferme en treillis a` deux pentes (figure 8 ). Les armatures d’une poutre arme´ e ou sous-tendue (figure 9 ) sont e´galement appele´ es tirants.

&

ˆ bles Haubans et ca

Les haubans ou caˆbles me´talliques, sont des e´le´ments tendus particuliers qui ne fonctionnent qu’a` la traction. Ils sont utilise´s comme : – e´ le´ ments porteurs dans les ponts suspendus (figure 4 ) ; – e´ le´ ments de suspension de ponts a` haubans (figure 11) ; – e´ le´ ments de stabilisation aux efforts late´raux des structures e´lance´ es comme les maˆts ou pyloˆnes (figure 12 ).

Figure 5 – Pont bow-string

Figure 9 – Poutre arme´ e ou sous-tendue

` planchers suspendus Figure 6 – Immeuble a

Figure 10 – Ferme Polonceau

Figure 7 – Planchers en porte-a ` -faux repris par des suspentes

` haubans Figure 11 – Pont a

Figure 8 – Ferme en treillis a ` deux pentes

ˆ t haubane´ Figure 12 – Ma


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1.2 Comportement et dimensionnement

attache, si ces moments sont importants et n’ont pas e´te´ pris en compte lors du calcul des assemblages. La meilleure faç on d’e´ viter ce proble`me est de concevoir des attaches sans excentricite´, ou avec des excentricite´ s re´duites au minimum. Dans les cas ou` les excentricite´s ne peuvent eˆtre e´viteés, il faut tenir compte des moments secondaires dans le calcul des assemblages.

1.2.1 Modes de ruine &

Ruine ou de´ faillance

La ruine, ou la de´faillance d’un e´ le´ment tendu, peut avoir lieu dans la zone courante ou dans la zone d’assemblage.

 Dans les zones d’assemblage, sans attache possible de toute la section de l’e´ le´ ment tendu ` res attache´ es par une seule aile Comme c’est le cas des cornie (figures 14 a et 15 ), il en re´ sulte une modification de la re´partition des contraintes normales dans la section du fait du « traı ˆ nage de cisaillement ». La solution est d’en tenir compte dans les calculs des assemblages, ou d’adopter des dispositions qui en minimisent l’impact.

La de´ faillance dans la zone courante est due aux allongements excessifs re´sultant de la plastification des sections. En effet, en faisant croı ˆ tre progressivement l’effort de traction applique´ a` l’e´le´ment, les contraintes dans les sections courantes atteignent la limite d’e´lasticite´, et les sections commencent a` plastifier. Dans le domaine plastique, les de´formations des fibres augmentent de façon de plus en plus importante pour un petit accroissement de l’effort applique´ (figure 13 ). 

Ｒ

` res de dimensionnement 1.2.2 Crite

L’allongement de l’e´ le´ ment devient rapidement incompatible avec la geóme´trie de l’ e´le´ment ou la fonction de l’ouvrage. 

&

Les crite` res de dimensionnement de l’EN 1993-1-1 et l’EN 1993-18 concernent naturellement la pre´vention des modes de ruine qui viennent d’eˆ tre e´voque´ s.

De´ faillances en zones d’assemblages

Les pheńome`nes pouvant concourir a` une de´faillance dans les zones d’assemblages comprennent :

La ruine en section courante correspond a` l’atteinte de la limite d’e´lasticite´ nominale en section. D’apre` s le § 6.2.3 de l’EN 1993-11, la re´sistance plastique de la section transversale brute peut eˆ tre prise e´gale a` :

Pour les assemblages boulonne´ s La rupture des sections comportant des trous de boulons. La re´sistance a` la rupture des sections dans la zone d’assemblage doit eˆtre e´value´ e a` partir de l’aire de la section nette la plus petite, obtenue ge´ ne´ralement en de´duisant l’aire des trous de l’aire de la section courante. La plastification comple`te de la section nette n’est pas conside´reé comme un seuil de ruine. Car on suppose que la zone de sections re´duites par les trous est relativement petite pour affecter l’allongement global de l’e´le´ment. Typiquement, seule la rupture de la section est a` ve´rifier si la longueur de la zone d’assemblage est infe´rieure ou e´gale a` la plus grande dimension transver sale de l’e´ le´ment. Les assemblages courants remplissent cette condition. L’e´tat de contraintes dans les sections nettes de´ pend des concentrations de contrainte autour des trous, et de l’existence de contraintes re´ siduelles. Dans le cas usuel des baˆ timents non soumis a` des efforts de fatigue (sollicitations cycliques en grand nombre), on conside` re que la ductilite´ du mate´riau est suffisante pour que ces parame`tres n’affectent pas le calcul de la limite a` la rupture des sections nettes. 

N pl,Rd

avec

=

Af y

γ M0

f y

limite d’e´lasticite´ nominale,

A

aire de la section brute,

g M0

coefficient partiel e´gal a` 1,0 selon l’EN 1993-1-1.

On doit ve´rifier en section courante que l’effort normal calcule´ a` l’ELU, N T,Ed, reste infe´ rieur a` la valeur preće´dente, soit : N T,Ed

≤ N pl,Rd

Excentricite´ en transmission d’efforts Les excentricite´s dans la transmission des efforts au niveau des assemblages, comme celles indiqueés sur la figure 14. Elles induisent des moments secondaires pouvant entraı ˆ n er la ruine d’une 

Figure 14 – Exemples d’excentrements d’efforts au niveau des assemblages

Figure 13 – Diagramme contrainte s de´ formation e de l’e´ prouvette de traction

C 2 551v2 – 4

(4)

` re attache´ e par soudure (zone bleue) Figure 15 – Cornie sur un gousset


ＶＰ

(5)


–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1.3.1 Assemblages soude´ s

Au droit des assemblages, le calcul peut eˆ tre plus fastidieux, puisque la re´ sistance des diffe´rents e´le´ments doit eˆtre ve´rifie´ e (soudure, boulons tendus/cisaille´ s, pression diame´ trale …). Dans le cas des assemblages boulonne´s, il est nećessaire de ve´rifier en comple´ment la re´ sistance en section nette.

&

De´ finitions et vocabulalire

Les composants tendus sont en ge´ ne´ral assemble´ s par des soudures d’angle.

1.3 Assemblages

On rappelle qu’une soudure d’angle re´ unit deux surfaces faisant entre elles un angle die` dre.

L’assemblage ideál d’un e´le´ment tendu doit eˆtre de type articule´ . C’est-a` -dire qu’il doit eˆtre conçu de faç on a` ne pas de´velopper de moments significatifs susceptibles d’affecter de´favorablement les diffe´rents composants qui y convergent. &

´ TALLIQUES TENDUS ET COMPRIME´S COMPOSANTS ME

´ pais L’assemblage est dit « en T » lorsque les directions des e seurs des pie`ces assembleés sont perpendiculaires (figure 16 a ), et « a` clin » lorsque ces e´paisseurs sont paralle` les (figure 16b ).

Moments inde´ sirables

´ rise´ e par l’e´ paisseur utile, ou  Une soudure d’angle est caracte gorge « a », et la longueur utile du cordon « L ». La gorge a est e´gale a` la hauteur mesureé a` partir de la racine du plus grand tr iangle inscrit entre les faces a` souder et la surface de la soudure (figure 17).

Ces moments inde´sirables, encore appele´ s « moments secondaires » ou « moments parasites », proviennent : – des rigidite´s a` la flexion non nulles de l’attache et des barres qui y convergent d’une part ; – des divers excentrements possibles des efforts au niveau de l’attache (plans moyens des diffe´rentes barres non confondus, efforts non e´ pure´s, etc.) d’autre part ;

&

Dispositions constructives

Des soudures d’angle peuvent eˆ tre utiliseés pour l’assemblage de pie` ces lorsque les faces forment un angle compris entre 60 et 120 . 

Une estimation des moments secondaires dus a` la rigidite´ en flexion des barres peut eˆtre obtenue directement par l’analyse globale de la structure, en supposant que les barres sont encastreés les unes sur les autres au niveau de l’attache. Si l’hypothe ` se d’encastrement ne pose aucun proble`me avec les outils informatiques, elle est en revanche plus de´ licate a` utiliser avec les approches manuelles nećessaires pour effect uer un pre´ dimensionnement. C’est ainsi que, pour le calcul manuel des treillis, ou des syste`mes de contreventement utilisant des profils ouverts, on continuera a` faire l’hypothe ` se d’articulation. On conside´rera alors que les moments secondaires dus a` la ri gidite´ en flexion sont ne´gligeables. 



Les soudures d’angle peuvent eˆtre continues ou discontinues. Les soudures d’angle discontinues sont a` proscrire pour des constructions en ambiance corrosive comme : les ouvrages en mer, les usines chimiques, etc. La gorge d’une soudure d’angle ne doit pas eˆtre infe´rieure a` 3 mm. &

La me´thode simplifie´ e, dećrite dans le § 4.5.3.3 de l’EN 1993-1-8, permet d’e´valuer la re´sistance d’une attache soudeé par cordon d’angle si l’on ve´ rifie l’expression suivante en tout point de la soudure :

De façon ge´ ne´ rale, on limite les moments secondaires provenant de la rigidite´ a` la flexion des barres en re´ duisant au maximum la zone d’attache. Hormis les cas des cornie` res attache ´ es par une seule aile, et dont les re´sistances peuvent eˆtre de´termineés de façon forfaitaire, les moments secondaires dus aux excentrements divers doivent eˆ tre e´value´s localement sur le dessin de l’attache et pris en conside´ration dans la ve´rification de l’assemblage. Les moments secondaires re´sultants doivent eˆtre re´partis dans les diffe´rentes barres de l’assemblage au prorata des rigidite´s des barres (I /l). 

&

` res Crite

Fw,Ed

avec

F w,Ed

≤

(6)

F w ,Rd

effort de calcul par unite´ de longueur au droit de la soudure,

Modes d’exe´ cution d’assemblages

Deux modes d’exećution sont principalement utilise´ s aujourd’hui pour re´ aliser les assemblages : l’assemblage par boulons (voir § 1.3.2) et le soudage (voir les articles [C 2 521] [C 2 522]). Les assemblages reálise´s en atelier sont presque toujours soude´s (voir § 1.3.1). Sur site, lors du montage, le soudage est parfois utilise´. Mais il impose de : – disposer de soudeurs qualifie´s ; – mettre en place des plate-formes a` diffe´rentes hauteurs de faç on a` permettre l’exećution correcte des soudures et les controˆ les correspondants ; – prote´ger l a reálisation des soudures contre les intempe´ries ; – disposer d’une source d’eńergie pour le prećhauffage et les soudures.

Figure 16 – Types de soudure d’angle

Remarque Dans la phase de montage, les assemblages boulonne´s sont pre´fe´re´s parce que l’exećution est plus rapide et qu’elle ne nećessite pas un personnel qualifie´ . En contrepartie, il faut savoir que les structures boulonneés sont plus lourdes que les structures e´ quivalentes soudeés. Ce poids supple´mentaire est de l’ordre de 10 % et correspond aux platines, e´ clisses et raidisseurs qu’il faut rajouter pour re´ aliser des attaches conformes aux re` gles de l’art.

Figure 17 – De´ finition de la gorge a d’une soudure d’angle


ＶＱ

C 2 551v2 – 5

Ｒ


re´sistance de calcul de la soudure par unite´ de longueur :

F w,Rd

f u

Fw ,R d = fv w, da =

avec

Ｒ

3γ M2 βw

Les valeurs a` donner aux pinces e 1 et e 2, et aux entraxes p 1 et p 2, doivent eˆ tre comprises entre des valeurs : – minimales qui ont pour but de pre´munir l’assemblage contre le risque de de´ chirure des t oˆles assemble´ es ; – maximales qui permettent d’e´viter la corrosion ou le voilement local.

a

f u

re´sistance ultime en traction la plus faible des pie` ces attacheés,

g M2

coefficient partiel e´gal a` 1,25 dans l’EN 1993-18,

bw

facteur de corre´lation obtenu a` partir du tableau 4.1 de l’EN 1993-1-8.

En pre´sence d’acier selon l’EN 10025 (sauf selon l’EN 10025-5), les pinces et entraxes doivent respecter (tableau 3.3 de l’EN 19931-8) les conditions suivantes : 1,2d 0 ≤ e 1, e2 ≤ 4t + 40 mm 2,2d 0 ≤ p1 ≤ min (14t ; 200 mm) 2,4 d 0 ≤ p2 ≤ min (14t ; 2 00mm)

Le tableau 1 donne les valeurs de bw et f u pour des nuances d’acier usuelles.

Tableau 1 – Valeurs de

f u et b w

Nuances d’acier

Facteur de corre´ lation b

S235

360

0,8

S275

430

0,85

S355

490

0,9

– 1 mm pour les boulons M12 et M14 ; – 2 mm pour les boulons M16 a` M24 ; – 3 mm pour les boulons M27 et au-dela`.

w

1.3.2.2

= 1, 2 − 0,2

L j 150a

– le mode de fonctionnement : par boulons prećontraints re´ sistant au cisaillement par frottement ou par boulons re´sistant au cisaillement par pression diame´trale ; – le type d’effort a` transmettre : cisaillement ou traction. Le tableau 2 re´ capitule les principales caracte´ristiques, ainsi que les crite` res de re´sistance correspondant a` chacune des cate´ gories. Les cate´gories A, B et C correspondent a` des attaches cisailleés. Les cate´gories D et E correspondent a` des attaches tendues.

(7)

1.3.2.3 &

1.3.2 Assemblages boulonne´ s 1.3.2.1

´ gories d’attaches boulonne´ es Cate

L’EN 1993-1-8 distingue cinq cate´gories d’assemblages boulonne´s suivant :

La re´ sistance des soudures de longueur utile L j supe´ rieure a` 150a (§ 4.11(3) de l’EN 1993-1-8) devra eˆtre minore´ e en la multipliant par le facteur suivant : βLw

e´paisseur minimale des pie` ces attacheés.

t

Les trous normaux doivent eˆtre reálise ´ s avec les tole´rances suivantes :

Re´ sistance ultime en traction f (en N/mm2) u

avec

Attaches boulonne´ es cisaille´ es

Re´ sistance en section nette et cisaillement de bloc

Quelle que soit la cate´ gorie d’attache cisailleé (A, B ou C), il est nećessaire de ve´rifier :

Dispositions constructives

– la re´ sistance en section nette au droit des trous de fixation ; – la re´ sistance au cisaillement de bloc.

Dans un assemblage boulonne´ quelconque, les trous de boulons sont positionne´ s par les pinces e i et les entraxes p i, comme illustr e´ a` la figure 18.

Re´ sistance en section nette Elle correspond a` la rupture au droit des trous de fixation. Elle est donneé par l’expression suivante (§ 6.2.3 de l’EN 1993-1-1) : 

On rappelle les de´finitions suivantes.  Une pince de ´ signe la distance entre le centre d’un trou de fixation et le bord de la pie`ce. La pince est dite « longitudinale » lorsque la distance est mesureé dans la direction de l’effort, et « transversale » si la distance est mesureé dans la direction perpendiculaire.

N u,Rd

avec

’entraxe est la distance entre trous de fixation adjacents  L dans la direction conside´ reé.

γ M2

(8)

re´sistance ultime en traction du plat attache´,

Anet

section nette au droit des trous de fixation,

g M2

coefficient partiel e´gal a` 1,25 dans l’EN 1993-11/8.


ＶＲ

0 ,9A netf u

f u

Figure 18 – Position des trous de boulons

C 2 551v2 – 6

=

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＴ

Composants me´ talliques fle´ chis Assemblages de poutres. Me´ thode des composants par

¨ l COUCHAUX Mae Docteur Inge´ nieur en Geńie Civil de l’INSA de Rennes Chef de projet de recherche au CTICM

Ｒ

´ thode des composants ............................................................. Me Mode´lisation d’un assemblage dans l’EN 1993-1-8 .......................... 1.1.1 Introduction ..................... ..................... .................... ............... 1.1.2 Re´sistance ................... ..................... ...................... .................. 1.1.3 Rigidite´ .................... ..................... .................... ....................... . Me´thode des tronçons en T ................... ...................... ..................... .

C 2 554v2 – — — — — —

2 2 2 3 3 5

´ s de poutres par platine d’about ......... Assemblages encastre Dispositions constructives ................................................................. 2.1.1 Assemblages de continuite´ de poutres ................... ............... 2.1.2 Assemblages de continuite´ de poutre sur poteau ................. 2.1.3 Renforcement par jarret ...................... ..................... ............... Re´sistance...... ..................... .................... ..................... ...................... . 2.2.1 Moment re´ sistant........ ..................... ...................... .................. 2.2.2 Re´sistance du composant comprime´ des assemblages de poutres ................... .................... ...................... ................... 2.2.3 Re´sistanc e des composants compri me´s/cisa ille´ s des assemblages de poutre sur poteau...... .................... ........ 2.2.4 Re´sistance des rangeés de boulons tendues.................. ........ Rigidite´ .................... .................... ...................... .................... ............. 2.3.1 Rigidite´ initiale en rotation....... ...................... ..................... .... 2.3.2 Rigidite´ des rangeés de boulons tendues ............................. . 2.3.3 Rigidite´ de l’aˆ me du poteau cisaille´ ......................... ............... 2.3.4 Rigidite´ de l’aˆ me du poteau comprime´ e transversalement ... Exemple d’application........................................................................ 2.4.1 Re´sistance ................... ..................... ...................... .................. 2.4.2 Rigidite´ de l’assemblage ..................... ..................... ............... Conclusion ..........................................................................................

— — — — — — —

6 6 6 7 7 8 8

—

10

— — — — — — — — — — —

10 14 17 17 18 20 20 20 20 22 23

3.5

´ es ............................................ Assemblages de poutres articule Dispositions constructives ................................................................. Classement des assemblages de poutres articule´s .......................... Effort tranchant re´sistant....... .................... ...................... ................... 3.3.1 Hypothe`ses de calcul ................... ...................... ..................... . 3.3.2 Re´sistance de l’attache coˆ te´ porteur ............................... ........ 3.3.3 Re´sistance de l’attache coˆ te´ porte´ .................... ..................... . Exemple d’application........................................................................ 3.4.1 Condition d’articulation........................................................... 3.4.2 Re´sistance a` l’effort tranchant.. ..................... ...................... .... Synthe`se .................... ...................... ..................... ..................... .........

— — — — — — — — — — —

23 23 23 25 25 25 26 29 30 30 31

4.

Conclusion........................................................................................

—

31

1. 1.1

1.2 2. 2.1

2.2

2.3

2.4

2.5 3. 3.1 3.2 3.3

3.4

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. C 2 554v2

ans la pratique, les assemblages fle´ chis de construction me´tallique sont

D conçus de deux manie`res diffe´rentes. ＵＱＰＲｴ ￻ ｯ｡Ｚｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

La premie` re consiste a` garantir la continuite´ entre deux poutres ou entre une poutre et un poteau. Ces assemblages sont constitue´s, soit de platines


ＶＳ

C 2 554v2 – 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＴ COMPOSANTS ME´ TALLIQUES FLEĆHIS –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

boulonneés perpendiculaires aux poutres, soit de couvre-joints boulonne´ s sur les semelles et l’aˆ me des poutres. Ils transfe`rent alors un moment significatif. La deuxie`me conception consiste a` ne pas assurer cette continuite´ au niveau des attaches, en laissant ainsi une certaine capacite´ a` la poutre a` entrer en rotation sur appuis. Ces assemblages, assez simples a` fabriquer et a` mettre en œuvre, sont souvent effectue´s a` l’aide de doubles cornie`res boulonneés sur l’e´ le´ment porteur et sur la poutre porte´ e.

Ｒ

En France, l’adoption des Eurocodes a conduit a` modifier le mode de calcul de ce type d’assemblages avec notamment l’obligation d’utiliser la me´thode des composants. Si cette me´ thode offre le moyen de calculer la re´sistance des attaches de poutres (moment flećhissant, effort tranchant), elle introduit e´galement le concept de semi-rigidite´ qui permet de caracte´riser la de´ formabilite´ des assemblages et leur influence sur le comportement global de la structure. En conse´- quence, il est nećessaire de justifier l’hypothe`se de mode´lisation des assemblages qui, dans la pratique, sont geńe´ralement conside´ re´s articule´s ou encastre´s.

Dans cet article, la me´thode des composants est pre´ sente´ e de façon geńe´rale avant d’eˆ tre applique´ e aux assemblages de poutres par platines d’about bou- lonneés. Le cas des assemblages de poutres articule´ es est traite´ ensuite. Pour chacune de ces deux familles d’assemblage, les diffe´ rentes dispositions constructives utilise´ es dans la pratique sont prećise´ es et la me´ thodologie des calculs est illustre´ e au travers d’exemples simples. Les assemblages en pieds de poteaux, autre cate´ gorie d’attaches particulie` rement importante, font l’objet d’un article se´pare´ (voir [C 2 557]).

dećomposer l’assemblage en composants e´ le´mentaires (boulons, platines, aˆme du poteau…) puis a` combiner leurs influences dans la mode´lisation globale (voir figure 1).

´ thode des composants 1. Me

Pour chaque composant, on identifie :

1.1 Mode´ lisation d’un assemblage dans l’EN 1993-1-8 1.1.1 Introduction

– une re´ sistance afin notamment de de´ terminer le moment re´sistant de l’attache M j,Rd ; – une rigidite´ e´lastique afin de calculer la rigidite´ flexionnelle de l’assemblage.

Pour mode´ liser le comportement des assemblages fle´ chis, la partie 1-8 de l’Eurocode 3 (EN 1993-1-8) s’appuie sur un nouveau concept : la me´thode des composants. Celle-ci consiste a`

Les composants sont mode´lise´s par l’interme´diaire de ressorts axiaux (rangeés de boulons tendues, compression de l’aˆme du poteau…) ou de panneaux (aˆ me du poteau cisaille´).

Âme du poteau en traction

Semelle du poteau en flexion Boulons en traction Âme de la poutre en traction Platine en flexion

M j,Ed

Semelle/âme de poutre en compression Âme du poteau cisaillée Âme du poteau en compression

Figure 1 – Composants d’un assemblage poutre/poteau par platine boulonne´ e

C 2 554v2 – 2


ＶＴ


–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

´ TALLIQUES FLE ´ CHIS COMPOSANTS ME

φattache

φw

Rangées tendues

φj

Ｒ

M j,Ed

M j,Ed

Panneau d’âme Figure 2 – Mode´ lisation d’un assemblage poutre/poteau fle´ chi

M j

φj M j,Rd

2/3 M j,Rd

S j,ini

M j,Ed

φj

Figure 3 – De´ formation flexionnelle et courbe moment/rotation d’un assemblage poutre/poteau soude´

` titre d’exemple, la mode´lisation d’un assemblage d’une poutre A ´ e est repre´senteé a` la figure 2 . sur un poteau par platine boulonne

Cette hypothe`se est retenue dans toute la suite de cet article. Lors du calcul du moment re´ sistant, la principale difficulte´ provient de l’e´valuation de la re´ sistance au niveau des range´ es de boulons tendues car, d’une part, un grand nombre de composants sont pre´sents dans cette zone (boulons, platine, aˆme et semelle du poteau) et, d’autre part, le s range´ es peuvent interagirent entre elles.

´ sistance 1.1.2 Re Les assemblages poutre/poteau par platine d’about sont ge´ ne´ralement dimensionne ´ s pour transmettre un moment fl ećhissant. On doit alors ve´rifier aux E´tats limites ultimes (ELU) : (1)

M j,Ed ≤ M j,Rd

avec

La re´sistance des rangeés est e´valueé a` partir de la me´thode des tronç ons en T pre´ sente´ e de faç on tre` s geńe´rale dans le paragraphe 1.2.

1.1.3 Rigidite´

M j,Ed

moment flećhissant applique´ a` l’assemblage calcule´ a` l’ELU,

M j,Rd

moment re´sistant de l’assemblage.

La me´ thode des composants permet de de´ terminer la rigidite´ flexionnelle d’un assemblage et donc de calculer la rotation correspondant a` l’application d’un moment donne´ (voir figure 3). Par de´finition, cette rigidite´ en rotation est :

Habituellement, lors du dimensionnement des assemblages poutre/poteau de baˆtiments industriels, le moment r e´sistant M j,Rd est de´termine´ en ne´ gligeant l’incidence de l’effort normal, N j,Ed. Cette simplification est conside´reé acceptable si N j,Ed reste infe´ rieur a` 5 % de la re´sistance a` l’effort normal de la poutre attacheé.

S j =

avec

fj

φ j

(2)

rotation de l’assemblage.


ＶＵ

M j,Ed

C 2 554v2 – 3

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＴ COMPOSANTS ME´ TALLIQUES FLEĆHIS –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Dans le domaine e´ lastique, cette rigidite´ en rotation, noteé S j,ini, est constante tant que le moment applique´ reste infe´rieur a` 2/3 du moment re´sistant. La rigidite´ flexionnelle initial e est de´termine´ e a` partir du mode ` le ressort de la me´thode des composants, son expression ge´ ne´rale e´ tant :

ψ

&

j,Rd ) avec µ = (1,5M j,Ed / M

ou`

y

– a` 2,7 pour les assemblages soude´s, les assemblages par platine d’about boulonneé et les pieds de poteau par platine d’assise ;

2

S j,ini =

Ez

i

avec

z k i

Ｒ

(3)

1

∑ k

est un coefficient pris e´gal :

– a` 3,1 pour les cornie`res de semelles boulonne´ es.

i

bras de levier, c’est-a`-dire la distance entre les centres de compression et de traction, coefficient de rigidite´ des diffe´rents composants de l’attache.

En analyse e´lastique, il est possibl e d’e´ viter l a mode´ lisation comple`te de l’assemblage en justifiant que l’assemblage est rigide ou articule´ a` partir du § 5.2.2.5 de l’EN 1993-1-8. ˆ tre classe´ rigide (voir  Ainsi, un assemblage de poutre peut e figure 4 a ) si l’on ve´ rifie la condition suivante :

Pour les assemblages par platine d’about, le calcul de la rigidite´ initiale en rotation, S j,ini, est de´taille´ dans le § 2.

S j,ini ≥ 25Elb / L b

Dans le domaine e´ lasto-plastique, c’est-a`-dire lorsque 2/ 3 M j,Rd ≤ M j,Ed ≤ M j,Rd, la rigidite´ en rotation est non line ´ aire et elle a pour expression :

&

S j =

S j,ini

avec

(4)

I b

inertie flexionnelle de la poutre,

Lb

porteé de la poutre (entraxe des poteaux).

Et une continuite´ peut alors eˆtre conside´reé au niveau de l’assemblage lors de l’analyse globale e´ lastique.

µ

(E,l b)

Lb

a

assemblages rigides

(E,l b) Ressorts en rotation

S j

Lb

b

assemblages semi-rigides

(E,l b)

Lb

c

assemblages articulés

Figure 4 – Mode´ lisation des assemblages de poutre sur poteau d’un portique industriel

C 2 554v2 – 4

(5)


ＶＶ

S j


–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

En d’autres termes, lors de la conception d’assemblages de poutre par platine boulonneé (voir § 2), on vise a` ve´rifier la relation (5) pour e´viter de devoir faire reáliser une mode´lisation structurale trop complexe.

La re´sistance des tronç ons en T t endus est e´value´ e en conside´ rant les diffe´rents modes de ruine pouvant s’y de´velopper (figure 6), a` savoir la formation d’un me´ canisme par de´ veloppement de charnie`res plastiques (modes 1 et 1-2) ou la ruine des boulons tendus (modes 2 et 3). Le type de mode de ruine de´pend fortement du de´veloppement, ou non, de l’effet de levier qui correspond aux forces de contact en extre´mite´ s de platine.

`  A l’inverse, un assemblage peut e ˆ tre classe´ nominalement articule´ (voir figure 4 c ) si la condition suivante est ve´rifieé : j,ini

En pre´sence d’effet de levier, les modes 1, 2 et 3 doivent eˆtre conside´ re´s. En l’absence d’effet de levier, il est ne´ cessaire d’utiliser les modes 1-2 et 3.

(6)

≤ 0 ,5Elb / L b

Dans le cadre de l’analyse e´ lastique globale, une articulation peut alors eˆ tre introduite au niveau de l’assemblage.

La re´ sistance du mode 1-2, correspondant a` la plastification de la platine sans effet de levier, est donneé par :

&

Si aucune des relations (5) et (6) n’est ve´ rifieé, l’assemblage est classe´ semi-rigide (voir figure 4b ) et sa flexibilite´ en rotation doit eˆtre prise en compte dans l’analyse globale. Un ressort flexionnel S j, calcule´ a` partir de (3) et (4), doit alors eˆ tre introduit au droit de l’assemblage. On notera toutefois qu’il est possible de remplacer la rigidite´ flexionnelle S j, par la rigidite´ sećante qui ne de´ pend pas du moment fle´ chissant applique´ . La rigidite´ sećante a pour expression : 

S j,séc =

avec

h

S j,ini


F T,1- 2,Rd =

avec

2M p l,1,R d

(8)

m

t p

e´paisseur de la platine,

f y,p

limite d’e´lasticite´ de la platine,

g M0

coefficient partiel e´gal a` 1,0 dans l’EN 1993-1-8,

(7)

η

Tableau 1 – Valeurs du coefficient

coefficient obtenu a` partir du tableau 1. Types d’attache

´ thode des tronçons en T 1.2 Me La re´sistance et la rigidite´ des rangeés de boulons tendues sont e´value´ es en conside´ rant un syste` me simple, le tronç on en T (voir figure 5), compose´ d’une platine, de boulons et d’une aˆ me attache´ e sur la platine.

h

Assemblage Autres types poutre/poteau d’assemblages

Soudeé

2

3

Platine d’about boulonneé

2

3

Cornie`res de semelles boulonne´ es

2

3,5

Platine d’assise

–

3

F T,Rd

0,8√2a

t f

e

m l eff

m a

Tronçon en T tendu

F T,Rd

F T,Rd

M j,Rd

Figure 5 – Mode´ lisation d’une range´ e par un tronc ¸ on en T


ＶＷ

C 2 554v2 – 5

Ｒ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＴ ´ CHIS COMPOSANTS ME´TALLIQUES FLE –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

2

l e ff ,1tp f y ,p

M p l,1,R d =

,

4 γ M0

F T,2,Rd

F T,1,Rd

(

)

l eff ,1 = min leff ,cp ; l eff ,nc , B

l eff,cp

F t,Rd

B

F t,Rd

longueur efficace du mode circulaire de´pendant du type de rangeé ; dans le cas de la figure 7 il est e´gal a` : Mode 1 : Plastification totale de la platine

l eff,cp = 2πm

l eff,nc

(

l eff ,nc = min 4m + 1,25e ; bp

)

F T,1-2,Rd

F T,3,Rd

longueur efficace du mode non circulaire de´pendant du type de range´ e ; dans le cas de la figure 7, il vaut :

Ｒ

Mode 2 : Ruine des boulons et plastification partielle de la platine

F t,Rd

F t,Rd

La re´ sistance du mode 3 qui correspond a` la r uine des boulons, est :

&

F T, 3,Rd = ∑ F t ,Rd

avec

F t,Rd

Mode 3 : Ruine des boulons

(9)

re´sistance en traction d’un boulon calculeé selon le tableau 3.4 de l’EN 1993-1-8 :

Mode 1-2 : Plastification partielle de la platine

Figure 6 – Modes de ruine d’un tronc ¸ on en T

k A f F t,Rd = 2 s ub γ M2

k 2

0,8√2a

est e ´ gal a` 0,9, sauf pour les boulons a` teˆ te fraise´s pour lesquels ce coefficient est pris e´gal a` 0,63,

As

section re´sistante du boulon (voir [C 2 551]),

f ub

re´sistance ultime en traction (voir [C 2 551]),

g M2

coefficient partiel e´gal a` 1,25 dans l’EN 1993-1-8.

e

m

b p

t p

m a

Figure 7 – Dimensions d’un tronc ¸ on en T simple

La re´ sistance en traction d’un tronç on en T est donc en l’absence d’effet de levier :

&

(

F T,Rd = min F T ,1- 2 ,Rd ; F T , 3,Rd

)

2. Assemblages encastre´ s de poutres par platine d’about

(10)

´ sistance du mode 1 qui correspond a` la plastification  La re totale de la platine avec effet de levier, est donne´ e par : F T,1,Rd =

4M pl,1,R d

m

2.1 Dispositions constructives

(11)

´ de poutres 2.1.1 Assemblages de continuite Les continuite´s poutres sont souvent reálise´ es a` l’aide d’assemblages par platines d’about boulonne ´ es : une platine est soudeé sur l’aˆ me et les semelles de chaque poutre puis les deux platines sont boulonne´ es entre elles.

´ sistance du mode 2 qui correspond a` la ruine des boulons  La re et a` la plastification partielle de l a platine avec effet de levier, est : F T, 2,Rd =

avec

M pl, 2,Rd =

2Mpl, 2,Rd + n ∑ F t,Rd

(12)

Les boulons peuvent eˆtre prećontraints ou non. Avant l’adoption des Eurocodes, la pratique franç aise e´tait plutoˆt d’utiliser des boulons prećontraints (type HR) selon la norme NF P 22-460 qui, traitait clairement des encastrements et des boulons pre´ contraints. L’Eurocode ne faisant plus de distinction, il est possible d’utiliser des boulons pre´ contraints ou non.

m + n

leff , 2 tp2 f y,p

l eff,2 = l eff,nc

4γ M0

n = min (e ; 1,25 m ) .

Il existe plusieurs variantes de cette conception. La plus simple consiste a` placer des rangeés de boulons entre les semelles (voir figure 8a ). Les rangeés adjacentes en face des semelles sont nommeés rangeés inte´rieures, les autres rangeés centrales. Si cette premie`re conception ne permet pas de transfe´rer des moments tre`s importants, elle pre´ sente l’avantage de ne pas eˆtre trop encombrante. Afin d’augmenter la re´sistance et la rigidite´ a` la flexion de l’attache,

En pre´ sence d’effet de levier, la re´sistance en traction d’un tronçon en T est donc :

(

)

Copyright

© -

F T ,Rd = min F T ,1,Rd ; F T ,2,Rd ; F T ,3,Rd

C 2 554v2 – 6

(13)

Techniques de l’Inge´ nieur - Tous droits re´serve´s

ＶＸ


–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

a

sans rangée extérieure

b

rangée extérieure non raidie

c


rangée extérieure raidie

Ｒ

Figure 8 – Assemblage de poutre sur poutre par platines d’about boulonne´ es a

non raidi

b

raidisseurs horizontaux

c

raidisseurs horizontaux et diagonaux

Figure 9 – Assemblages de poutre sur poteau par platines d’about boulonne´ es

une rangeé exte´rieure peut eˆtre ajouteé dans la partie tendue (voir figure 8 b ). Il est meˆ me possible de raidir cette range´ e exte´ rieure (voir figure 8 c ) afin que celle-ci soit e´quivalente a` la rangeé inte´rieure.

au moment flećhissant. Dans ce cas, l’aˆme du poteau reste de´formable sous l’action de l’effort tranchant introduit par le moment. Si cet effort tranchant est dimensionnant, aussi bien en re´sistance qu’en rigidite´, il convient de souder un raidisseur diagonal sur l’aˆ me du poteau (voir figure 9 c ). Une attention particulie` re doit eˆtre accordeé au positionnement du raidisseur afin de pouvoir mettre en place facilement les boulons i nfe´rieurs.

´ de poutre 2.1.2 Assemblages de continuite sur poteau Les continuite´ s de poutre sur poteau sont geńe´ralement reáliseés a` l’aide de platines d’about. Une platine est soudeé sur l’aˆme et la semelle de la poutre, puis elle est boulonneé sur la semelle du poteau.

Des rangeés exte´rieures raidies, ou non, peuvent e´galement eˆtre utiliseés afin de renforcer la zone tendue de l ’assemblage.

Le premier type de conception qui vise a` ne pas renforcer le poteau (voir figure 9 a ), est assez souple et ne permet pas de transfe´rer des moments significatifs. Ce type d’attache est d’ailleurs geńe´ralement semi-rigide.

2.1.3 Renforcement par jarret Les continuite´s poutre/poutre et poutre/poteau par platines d’about boulonne ´ es peuvent eˆtre renforceés en ajoutant un jarret de dimensions similaires a` celles de la poutre. L’ajout d’un jarret augmente le bras de levier de l’assemblage et donc son moment re´sistant et sa rigidite´ (figure 10).

Une manie ` re de rigidifier cette attache est de souder des raidisseurs sur l’aˆme et les semelles du poteau (voir figure 9 b ), ce qui facilite grandement le transfert des efforts de compression et traction dus


ＶＹ

C 2 554v2 – 7

Ｒ

ＷＰ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＷ

Composants me´ talliques fle´ chis Assemblages de pieds de poteaux par

¨ l COUCHAUX Mae Docteur Inge´ nieur en geńie civil de l’INSA de Rennes Chef de projet de recherche au CTICM

Ｒ 1. 1.1 1.2

1.3

2. 2.1 2.2

2.3

2.4 2.5

3.

´ s ............................................................ Pieds de poteaux articule Dispositions constructives/condition d’articulation .................. ........ Re´sistance.... .................... ..................... ...................... .................... .... 1.2.1 Re´sistance en compression... .................... .................... .......... 1.2.2 Re´sistance en traction .................... .................... .................... . 1.2.3 Re´sistance a` l’effort tranchant ...................... .................... ....... Exemple d’application........... .................... .................... ..................... 1.3.1 Condition d’articulation. .................... .................... .................. 1.3.2 Ve ´ rification du pied de poteau comprime´ .................... .......... 1.3.3 Ve ´ rification du pied de poteau tendu ................. ....................

C 2 557 – 2 — 2 — 4 — 4 — 7 — 9 — 12 — 12 — 12 — 13

´ s .......................................................... Pieds de poteaux encastre Dispositions constructives ................................................................. Re´sistance.... .................... ..................... ...................... .................... .... 2.2.1 Principe .................... ...................... ..................... .................... . 2.2.2 Re´sistance de la partie comprimeé .................... ..................... 2.2.3 Re´sistance de la partie tendue .................. .................... .......... 2.2.4 Moment re´sistant...... ...................... .................... ..................... Rigidite´ .................... ...................... .................... ...................... ........... 2.3.1 Principe .................... ..................... ...................... .................... . 2.3.2 Rigidite´ de la partie tendue ...................... ..................... .......... 2.3.3 Rigidite´ de la partie comprimeé ...................... .................... .... 2.3.4 Rigidite´ initiale en rotation.......... .................... ..................... ... Classement d’un pied de poteau encastre´ ................... ..................... Exemple d’application........................................................................ 2.5.1 Re´sistance ..................... ..................... .................... .................. 2.5.2 Rigidite´ flexionnelle initiale/classement .................... .............

— — — — — — — — — — — — — — — —

14 14 17 17 17 18 20 22 22 22 22 23 23 23 23 26

Conclusion........................................................................................

—

26


Doc. C 2 557

es pieds de poteaux peuvent eˆtre conçus articule´ s ou encastre´s, ce qui a des importantes sur le prix de la structure me´tallique et des fondations.

L conse´quences

Dans le baˆtiment, il est courant de souder une platine en extre´mite´ de poteau et de la relier a` la fondation par deux, voire quatre tiges d’ancrage mais place´ es au niveau de l’axe ou a` proximite´ de l’axe de ce meˆme poteau. Ce type de pied de poteau est alors conside´re´ nominalement articule´ et cette conception reste suffisante tant que les rotations ne sont pas trop importantes. Dans le cas contraire, lorsque des rotations plus importantes sont ne´ cessaires, il est possible d’utiliser d’autres dispositifs comme les grains ou les chapes avec axes d’articulation, l’objectif e´tant de reáliser une conception des appuis conforme aux hypothe` ses prises pour la mode´lisation de la structure.

ＵＱＰＲｴ ￻ ｯ｡Ｚｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

L’Eurocode 3 permet de calculer la re´sistance des pieds de poteaux soumis a` un effort de traction ou compression a` l’aide de la me´ thode des composants qui reste, dans ce cas, assez aise´ e d’emploi. La justification de l’hypothe` se d’articulation, rendue nećessaire par l’Eurocode, est baseé sur des dispositions

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ＷＱ

C 2 557 – 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＷ ´ CHIS COMPOSANTS ME´TALLIQUES FLE –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

constructives qui e´taient de´ja` pre´ sentes dans les re`gles franç aises (ouvrage de Lescouarc’h [3] par exemple). C’est l’objet de la premie ` re partie de cet article que de pre´senter la conception et le calcul des pieds de poteaux articule´s. Lorsqu’il devient difficile de respecter les crite`res de de´placements de l’ELS (pre´sence d’un pont roulant par exemple), il est parfois courant d’avoir recours a` des pieds de poteaux encastre´s. Le calcul de la re´sistance des pieds de poteaux encastre´s est alors effectue´ a` l’aide de la me´thode des composants, mais ne s’ave`re pas plus complexe a` employer que les me´thodes traditionnelles. L’exigence de justifier que ces attaches peuvent eˆ tre mode´liseés comme rigides engendre cependant quelques difficulte´s. Le cas des pieds de poteaux encastre´s par platine d’about est traite´ dans la deuxie`me partie de cet article. Pour chacune de ces deux parties, un exemple illustre la de´marche.

Ｒ

1. Pieds de poteaux articule´ s

pre´scellement par mise en flexion ([3], [5]), ce qui re´ duit fortement la capacite´ de l’attache.

1.1 Dispositions constructives/condition d’articulation

Cas 2 Les trous de la platine d’assise sont ronds normaux (conforme´ ment au tableau 12 de l’EN 1090-2). Ce dispositif est difficile a` re´gler, mais e´ vite de mettre en flexion les tiges lors du transfert de l’effort tranchant du poteau a` la fondation. 

L’utilisation de pieds de poteaux articule´ s permet geńe´ralement de limiter le cou ˆ t des fondations elles-meˆmes mais la conception de ces attaches est e´ galement plus simple que celle des pieds de poteaux encastre´s (voir § 2).



La platine d’assise est soudeé sur la platine de pre´scellement. L’effort tranchant est transfe´re´ du poteau vers le scellement par les soudures. Ce cas n’est pas courant dans la pratique du fait de la nećessite´ de souder sur chantier apre`s re´glage. Il est e´galement possible de souder des taquets sur la platine de pre´ scellement.

Les pieds de poteaux articule´ s sont souvent r eálise´s en soudant une platine d’assise a` l’extre´mite´ du poteau laquelle est relieé au be´ton par deux, voire quatre tiges d’ancrage (voir figures 1 et 3) dispose´ es au niveau, ou a` proximite´, de l’axe du profi l. &

re

1

&

disposition constructive

Conditions d’articulation

Les pieds de poteaux ainsi pre´ sente´s ne sont pas des articulations parfaites car un moment secondaire peut eˆ tre transmis par un couple d’effort passant par les tiges tendues et la semelle du poteau comprime´ e. La possibilite´ de l’attache de tourner librement de´pend des dimensions de la platine et des tiges d’ancrages. Lescouarc’h a propose´ dans son guide un crite ` re sur les pieds de poteau articule´s [3] qui a e´te´ repris dans l’Annexe Nationale française a` l’EN 1993-1-8. Le concept de semi-rigidite´ de l’EN 1993-1-8 pourrait eˆtre retenu mais il s’ave`re qu’il ne permet pas de justifier aise´ment de la condition d’articulation [2].

Une premie`re solution consiste a` couler les tiges dans le be´ton, puis a` positionner le poteau avec sa platine d’assise qui repose sur un scellement (voir figure 1). Dans la pratique française [3], une beˆche e´tait soudeé sur la platine d’assise afin de permettre le transfert des efforts tranchants. L’EN 1993-1-8 permet de se passer d’une beˆ che et de simplement transfe´rer l’effort tranchant par cisaillement des tiges (lorsque le frottement ne peut eˆtre mobilise´ ), mais en assurant que les trous de la platine soient ronds normaux au sens de l’EN 1090-2. Ainsi, le jeu dans les trous doit eˆ tre de 2 mm pour des tiges de diame`tre infe´rieur ou e´ gal a` 24 mm et de 3 mm au-dela`. Cette exigence est tre`s contraignante puisqu’un jeu important est souvent ne´ cessaire afin de r e´gler les poteaux du fait du positionnement souvent peu prećis des tiges au coulage. Par ailleurs, les tiges ne peuvent transfe´rer qu’un effort tranchant limite´ , surtout en pre´sence de traction. &

Cas 3

Ainsi, d’apre` s l’Annexe Nationale franç aise a` l’EN 1993-1-8, un pied de poteau par platine d’assise, soumis a` un effort normal de traction ou de compression, peut eˆ tre conside´ re´ comme articule´ lorsque la hauteur de sa platine , h p, est infe´ rieure ou e´ gale a` 300 mm .

e

2 disposition constructive

Une deuxie` me solution consiste a` installer, avant le coulage du be´ton, une platine de pre´scellement sur laquelle est soudeé une beˆche et ou` sont de´ja` positionneés les tiges d’ancrage (voir figure 2). Le poteau et sa platine d’assise sont ensuite mis en place sur la platine de pre´scellement.

 Lorsque cette hauteur est telle que 300 mm < h p convient de ve´ rifier les deux conditions suivantes :

θ × hp ≤ 3 mm

Cas 1 Le diame`tre des tr ous de la platine d’assise est surdimensionne´ (environ deux dois le diame`tre d’une tige d’ancrage), ce qui permet un re´ glage du poteau. Une plaquette est ensuite positionneé entre l’ećrou et la platine d’assise et soudeé sur la platine d’assise. Les tiges transfe`rent l’effort tranchant de la platine d’assise au

avec



Copyright

© -

600 mm, il

NEd,ser × θ × hc ≤ 1,5 × 106 Nmm

Il existe trois variantes de cette conception (voir figure 3 ).

C 2 557 – 2

≤

q

rotation (en radian) a` l’ELS en pied de poteau, obtenue par analyse globale en conside´rant le pied de poteau comme articule´,

N Ed,ser

effort axial (en N) associe´ a` la rotation,

hc

hauteur de la section (en mm) du poteau.


ＷＲ

(1)


–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Axe du poteau

Axe du poteau

Trou rond normal


Platine d’assise

Bêche Scellement

Ｒ

Axe du poteau

Figure 1 – Pieds de poteau par platine d’assise reposant sur un scellement

Lorsque la hauteur de la platine est comprise entre 300 et 600 mm, le respect de la condition d’articulation peut s’ave´ rer difficile a` reáliser. C’ est pourquoi il peut eˆ tre envisage´ d’utiliser une platine de seulement 300 mm de hauteur, meˆme si cela conduit a` une largeur re´ duite par rapport a` la hauteur du poteau (voir figure 5 ). Il convient alors de raidir l’aˆme du poteau, surtout si des efforts de compression importants doivent eˆtre transfe´ re´s.

donnant peu d’e´le´ments sur le calcul des grains, il est conseille´ de garder les hypothe`ses de ce guide tout en ve´ rifiant la re´sistance en respectant les crite`res de l’Eurocode. Les axes d’articulations (voir figure 7) fonctionnent eux aussi bien pour des efforts de compression que de traction et permettent des rotations tre` s importantes. Par ailleurs, ce dispositif pre´ sente un inte´reˆt esthe´tique non ne´ gligeable. Le calcul des axes et chape est dećrit dans la re´fe´rence [C 2 521]. La re´sistance des pieds de poteaux articule´s doit eˆtre ve´rifieé pour les efforts tranchants et normaux de traction/compression. Le paragraphe 1.2 donne des e´le´ments sur le calcul de la re´sistance des pieds de poteaux articule´s pour ces trois sollicitations. Les assemblages traite´s sont les pieds de poteaux par platine d’assise avec ou sans platine de pre´scellement (voir figures 1 et 3 ). Pour les autres pieds de poteaux, il convient de se reporter au guide de Lescouarc’h sur les pieds de poteaux articule´ s [3].

ˆ timents lourds (parkings, bureaux), il peut devenir  Pour des ba nećessaire d’effectuer des appuis spećifiques (voir figures 6 et 7 ). Les grains (voir figure 6 ) sont inte´ressants lorsque les efforts de compression sont importants, tout en permettant une rotation non ne´gligeable. L’aˆme du poteau doit alors eˆtre renforce´ e afin de pouvoir transfe´ rer localement l’effort de compression. Des crite`res de dimensionnement sont pre´sente´s dans le guide de Lescouarc’h sur les pieds de poteaux articule´ s [3]. L’Eurocode 3


ＷＳ

C 2 557 – 3

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＷ COMPOSANTS ME´ TALLIQUES FLEĆHIS –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

´ sistance 1.2 Re ´ sistance en compression 1.2.1 Re Pour les pieds de poteaux par platine d’assise, l’effort de compression peut entraı ˆ ner l’atteinte de l’e´tat limite ultime par : – plastification du poteau localement au droit de la platine ; – ruine des soudures de la platine sur le poteau ; – ruine du be´ton comprime´ et plastification de la platine en flexion.

Ｒ

hp N Ed,ser

Rotation en pied

θ

hc

ˆ che et tiges en attente Figure 2 – Platine de pre´ scellement avec be (Cre´dit APK)

` re de rigidite´ Figure 4 – Crite

Plaquette

Trou surdimensionné

Platine d’assise

Trou rond normal

Platine de préscellement Bêche

Cas 1 :

Platine d’assise avec trous surdimensionnés

Cas 2 :

Platine d’assise avec trous ronds normaux

Platine d’assise Soudure platine d’assise/platine de préscellement

Platine de préscellement

Cas 3 :

Platine d’assise soudée sur platine préscellée

ˆ che d’ancrage Figure 3 – Pieds de poteau par platine d’assise et platine de pre´ scellement avec be

C 2 557 – 4


ＷＴ


–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––


Raidisseurs

Platine d’assise réduite hp ≤

300 mm

Ｒ

Photo APK

Figure 5 – Pied de poteau par platine d’assise avec platine re´ duite (Cre´ dit APK)

Raidisseurs

Grain

Boîte à grain

Photo J-P Muzeau

Figure 6 – Pied de poteau par grain et boı ˆ te a` grain (Cre´ dit J.P. Muzeau) &

Re´ sistance du poteau et des soudures

avec

La re´ sistance du poteau localement au droit de la platine est simplement de´ termineé a` partir du § 6.2.3 de l’EN 1993-1-1 en prenant sa re´sistance plastique : N c,Rd =

Af y ,c

γ M0

(2)

f y,c

limite d’e´lasticite´ nominale du poteau,

A

aire de la section transversale du poteau au droit de l’assemblage,

g M0

coefficient partiel e´gal a` 1,0 selon l’EN 1993-1-1.

S’il est montre´ que la section est de classe 4 (cf. [C 2 551]), il convient de conside´ rer l a section efficace du poteau.


ＷＵ

C 2 557 – 5

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＵＷ COMPOSANTS ME´ TALLIQUES FLEĆHIS –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Axe d’articulation

Chapes

Ｒ

Photo J-P Muzeau

Figure 7 – Pied de poteau par axe d’articulation (Cre´ dit Muzeau)

D’une façon ge´ ne´rale, il est suppose´ que les soudures transmettent l’inte´ gralite´ de l’effort de compression du poteau vers la platine. Leur re´sistance peut donc eˆtre prise e´gale a` :

∑l wiai

N wc,Rd =

avec

3γ M2 βw

(3)

a i

gorge d’une soudure de la platine sur le poteau,

l wi

longueur d’une soudure de la platine sur le poteau,

f u

re´sistance ultime en traction minimale des pie`ces attacheés,

g M2

coefficient partiel e´gal a` 1,25 selon l’EN 1993-18,

bw

&

f u

fondation est suffisamment importante par rapport a` la section de la platine et notamment si :

≥ 0,5 max (hp ; b p )

h

≥ 0,2 5hp

b

≥ 0,2 5b p

Lorsqu’une platine rectangulaire repose sur un massif be´ton, la re´sistance a` la pression localiseé du be´ton peut eˆtre prise e´gale a` : jd

avec

f cd

= β jα bff cd

coefficient de corre´lation obtenu a` partir du tableau 4.1 de l’EN 1993-1-8 (cf. [C 2 551]).

avec

f ck

a cc g c a bf

bf

d f

  2e h 2e b d f ; 1+ ; 1+ ; 3 = min 1 + hp b p  max (hp , b p )    profondeur de la fondation.


ＷＶ

α ccf ck γ c

valeur caracte´ristique de la re´sistance en compression du be´ton (sur cylindre) pre´senteé le tableau 1 , coefficient e´gal a` 1, coefficient partiel e´gal a` 1,5, parame` tre geóme´trique de´finit dans la re´fe´rence [2] tenant compte de la diffusion des efforts dans le be´ ton :

Re´ sistance du be´ ton et de la platine

La re´sistance en pression localiseé du be´ton peut eˆtre prise supe´rieure a` la re´sistance de calcul du be´ ton a` la compression, f cd, si la

(4)

re´sistance de calcul du be´ton de la fondation (§ 3.1.6(1) de l’EN 1992-1-1). f cd =

L’e´tat limite a` la jonction entre le be´ton et la pl atine correspond a` l’atteinte de la re´ sistance a` la pression localiseé du be´ton, nommeé f jd. Lorsque la platine est suffisamment raide, cette contrainte peut se de´ velopper sur toute la superficie de la platine (voir figure 8 a ). Ce n’est pas le cas lorsque la platine est souple puisqu’elle fle´ chit et peu plastifier avant que le be´ton n’atteigne sa pleine re´ sistance (voir figure 8b ) . Ainsi, l’Eurocode limite la zone d’atteinte de la re´sistance du be´ton a` une largeur d’appui additionnelle, noteé c , de part et d’autre des e´le´ments qui transfe`rent la compression ; l’aˆme et les semelles d’une section en I par exemple.

C 2 557 – 6

f

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＰＶ

Se´ curite´ incendie des ouvrages en structures acier et acier/be´ ton – Partie 1 par

¨ l KRUPPA Joe Ancien Directeur du De´ partement Incendie et Certification Centre technique industriel de la construction me´tallique (CTICM)

Ｒ

Note de l’e´ diteur Cet article est la reé´dition actualiseé de l’article [C 2 506] intitule´ « Se´ curite´ incendie des ouvrages en structures me´ talliques : partie 1 » paru en 2004 et re´ dige´ par le meˆ me auteur

Contexte re´ glementaire ................................................................. Exigences re´glementaires ................... ..................... ..................... ..... 1.1.1 E´tablissements recevant du public (ERP) ............................... 1.1.2 Habitations ................... ..................... ..................... .................. 1.1.3 Immeubles de grande hauteur (IGH) .................... .................. 1.1.4 Baˆtiments industriels... ...................... .................... .................. 1.1.5 Baˆtiments de bureaux ...................... ..................... .................. Moyens de justifications .................................................................... Ingeńierie du comportement au feu ..................... .................... .........

C 2 506v2 – 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 3 — 3 — 4

2. 2.1 2.2

Actions sur les structures en cas d’incendie ............................ Actions mećaniques ..................... ..................... .................... ............. Actions thermiques .................. .................... .................... .................. 2.2.1 Incendies nominaux .................... ...................... ..................... . 2.2.2 Mode`les simplifie´s de calcul .................. .................... ............. 2.2.3 Mode`les nume´riques ................... ...................... ..................... .

— — — — — —

4 4 5 5 6 7

3. 3.1

´ volution des tempe´ ratures des e´ le´ ments de structure ......... E Caracte´ristiques thermiques des mate´riaux ................... ................... 3.1.1 Acier .................... ...................... .................... ...................... ..... 3.1.2 Acier inoxydable ...................................................................... 3.1.3 Be´ton ................... ...................... .................... ...................... ..... E´le´ments en acier non prote´ge´ ..................... ...................... ............... 3.2.1 E´le´ments internes au baˆtiment ...... ...................... ................... 3.2.2 E´le´ments externes au baˆ timent ................... ...................... ..... E´le´ments en acier prote´ge´s ................... ..................... ...................... . 3.3.1 Par protection directe ................... ..................... ..................... . 3.3.2 Par ećrans ................... ..................... ...................... .................. 3.3.3 Par eau .................... ..................... .................... ...................... .. E´le´ments mixtes acier et be´ ton ............. ..................... ...................... . 3.4.1 Planchers................. ..................... ..................... ...................... . 3.4.2 Poutres ................... ...................... .................... ....................... . 3.4.3 Poteaux ................... ..................... ..................... ...................... .

— — — — — — — — — — — — — — — —

8 8 8 8 9 9 9 10 10 10 15 15 15 15 15 16

1. 1.1

1.2 1.3

3.2

3.3

3.4


es me´ thodes de ve´rification du comportement au feu des structures en acier pre´senteés en deux parties, dans les articles [C 2 506] et [C 2 507], en faisant re´fe´rence aux Eurocodes.

L ou mixtes sont

ＳＱＰＲｴ ￻ ｯ｡Ｚｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

Dans cette premie` re partie, il est rappele´ le contexte re´glementaire franç ais et les exigences principales pour la sećurite´ incendie des baˆtiments. Puis, sont abordeés les actions sur les structures en situation d’incendie, et ensuite la de´termination de l’ećhauffement des e´le´ments de structure, qu’ils soient en acier ou mixtes.


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C 2 506v2 – 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＰＶ ´ TON – PARTIE 1 SEĆURITE´ INCENDIE DES OUVRAGES EN STRUCTURES ACIER ET ACIER/BE

´ glementaire 1. Contexte re

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

re´sistance au feu de 2 h a` 3 h (120 a` 180 min) peuvent eˆ tre requises pour les locaux pre´ sentant des risques particuliers d’incendie. &

Aucune exigence de stabilite´ au feu n’ est impose´ e aux structures ˆ timents a` simple rez-de-chausse´ e (article CO 14) et aux derdes ba niers e´ tages des immeubles (article CO 13) lorsque certaines conditions spe´ cifiques sont remplies, telles que l’utilisation de structures acier ou mixtes visibles du plancher et ne pre´sentant pas de risque d’effondrement en chaı ˆne.

Le risque incendie dans les constructions est re´gi en France par des textes re´ glementaires e´ manant de divers ministe` res. Ils se divisent en deux groupes :

&

– les exigences, geńe´ralement descriptives, auxquelles doivent re´pondre les mate´ riaux et e´le´ments de construction utilise´ s pour la construction d’un baˆ timent afin de limiter, a` un niveau acceptable, les risques lie´s a` l’incendie ; – les me´thodes permettant de justifier que ces mate´riaux et e´le´ments de construction pre´sentent, effectivement, le niveau de performance requis.

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Les parcs a` voitures, qu’ils soient enterre´ s ou ae´riens, preće´demment couverts par la re´glementation pour la protection de l’environnement, sont maintenant conside´re´s comme des ERP et, de ce fait, font l’objet du type « PS » de l’arreˆte´ du 25 juin 1980 modifie´ [20], sauf ceux attenant a` une habitation [22]. Les e´ le´ments porteurs d’un parc de stationnement couvert, non surmonte´ par un autre baˆ timent, doivent eˆtre stables au feu de degre´ 1 heure (R 60) et les planchers interme´diaires coupe-feu de degre´ 1 heure (REI 60) lorsque le parc en superstructure dispose de deux niveaux au plus au-dessus du niveau de re´ fe´rence, ou que le parc en infrastructure dispose de deux niveaux au plus.

&

En ce qui concerne le comportement au feu des mate´ riaux et e´ le´ ments de construction, on distingue deux notions principales (voir § 1.2) :

&

– la re´ action au feu qui caracte´ rise l’aliment qu’un mate´ riau peut apporter au de´marrage et au de´ veloppement du f eu [18] ; – la re´ sistance au feu qui concerne l’aptitude des e´le´ments de construction a` assurer leur fonction porteuse ou de compartimentage, malgre´ l’action de l’incendie [19].

Dans les autres cas, les e´ le´ments porteurs sont stables au feu de degre´ 1 h 30 (R 90) et les planchers interme´diaires coupe-feu de degre´ 1 h 30 (REI 90) [30]. Pour les parcs ae´ riens largement ouverts sur l’exte´rieur, il est de plus en plus admis de tenir compte de la spećificite´ des incendies de ve´hicules et de pouvoir justifier de la stabilite´ au feu de ces baˆtiments par une e´tude d’ingeńierie de la sećurite´ incendie (voir § 1.3 et 5 du [C 2 507]) [37].

´ glementaires 1.1 Exigences re ˆ le de la structure porteuse d’un baˆtiment en cas d’incendie Le ro est de continuer a` assurer la stabilite´ de ce baˆtiment pendant une certaine dureé ; cela conduit a` imposer aux e´ le´ments d’ossature un degre´ de stabilite´ au feu.

&

1.1.2 Habitations Les baˆtiments d’habitation [21] sont classe´ s en distinguant l’habitat individuel de l’habitat collectif et en prenant en compte l’inde´pendance de structures contigue ¨ s, le nombre de niveaux et la hauteur.

ˆ le des e´ le´ ments de compartimentage en cas d’incendie est Le ro de limiter la propagation de l’incendie au sein d’un baˆ timent et, le cas ećheánt, vers le voisinage ; cela conduit a` imposer a` ces e´le´ments un degre´ pare-flammes ou coupe-feu.

&

L’arreˆ te´ du 31 janvier 1986 requiert des degre´ s de re´sistance au feu suivant un classement en 4 familles. Ils varient entre 1/4 h et 1 h 1/2 (15 a` 90 min).

Il faut noter que l’harmonisation europe´ enne des me´ thodes de justification a introduit une autre terminologie : R, E, I… (voir § 1.2). Bien que ces diffe´rents degre´s s’expriment en heures (pour l’ancienne terminologie franç aise) ou en minutes ( pour la nouvelle terminologie europeénne). Ce n’est pas un temps reél de performance a` partir du de´ but d’un incendie reél dont il s’agit, mais un i ndice de re´sistance au feu juge´ nećessaire par les pouvoirs publics en fonction de l’importance du risque et de la se´ve´ rite´ estimeé du feu associe´ es a` chaque activite´ .

1.1.3 Immeubles de grande hauteur (IGH) Les exigences impose´ es en matie`re de re´sistance au feu sont, principalement, un degre ´ de stabilite´ au feu de 2 h (R 120) pour les immeubles de moins de 200 m de haut, et de 3 h (R 180) audela`. Par ailleurs, une limitation de la charge combustible a` 680 MJ par me`tre carre´ de surface de plancher est exigeé pour les locaux a` risque normal [22].

&

En matie`re de re´sistance au feu, les exigences imposeés aux baˆtiments sont de´finies dans le Code de la construction et de l’habitation, le code du travail, les textes sur la protection de l’environnement et les dećrets et arreˆte´s les accompagnant. Selon la destination des baˆtiments, les exigences re´ glementaires sont diffe´rentes et placeés sous la responsabilite´ de divers ministe` res.

ˆ timents industriels en installations 1.1.4 Ba classe´ es Pour ces cate´gories d’immeubles [23], des exigences de re´ sistance au feu peuvent eˆtre imposeés lorsque les activite´s exerceés pre´sentent des risques pour l’environnement ou le voisinage, ou lorsque la hauteur du baˆtiment multi-e´ tage´ rend difficile l’e´ vacuation rapide du personnel.

On distingue principalement : – les ERP (ministe`re de l’Interieur) au § 1.1.1 ; – les habitations (ministe`re charge´ de la construction et du logement) au § 1.1.2 ; – les IGH (ministe`re de l’Inte´ rieur) § 1.1.3 ; ˆ timents industriels (ministe`re charge´ de l’Environnement) – les ba au § 1.1.4 ; – les bureaux (ministe`re du travail) au § 1.1.5.

&

ˆ ts concerne´ s sont ceux renfermant des quantite´ s  Les entrepo de mate´ riaux combustibles (dite rubrique 1 510) supe´rieures a` 500 tonnes et dont le volume des entrepoˆts est soit compris entre :

– 5 000 m 3 et 50 000 m3 (re´ gime de la de´ claration) ; – 50 000 m3 et 300 000 m3 (re´gime de l’enregistrement) ; – supe´rieur ou e´ gal a` 300 000 m3 (re´gime de l’autorisation).

1.1.1 E´ tablissements recevant du public (ERP) Les ERP [20] sont classe´s en fonction du nombre d’occupants potentiels, de leur activite´ et de la hauteur du plancher haut. Les degre´s de re´sistance au feu sont de´finis dans les articles [CO 11] a` [CO 15] de l’arreˆ te´ du 25 juin 1980 ; ils varient entre 1/2 heure et 1 heure 1/2 (30 a` 90 min). Ils ne concernent que les e´le´ments de structure principaux : c’est-a`-dire ceux dont la ruine a une incidence sur la stabilite´ de la structure porteuse. Des exigences de

C 2 506v2 – 2

Copyright

© -

Cas des entrepoˆts

ˆ ts soumis a` de´ claration [24], a` simple rez-de Pour les entrepo chausse ´ e quelle qu’en soit la hauteur, une re´ sistance au feu de 1/ 4 h (R 15) est demandeé a` l’ensemble de la structure, y compris les pannes. ` simple rez ˆ ts soumis a` enregistrement [25], a  Pour les entrepo de-chausse´ e, une re´sistance de classe R 15 est demandeé a` la


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＰＶ ´ ´ ´ –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– SECURITE INCENDIE DES OUVRAGES EN STRUCTURES ACIER ET ACIER/BE TON – PARTIE 1

´ galement des e´le´ments de  Le coupe-feu (CF) qui concerne e compartimentage, qu’ils soient porteurs ou non (plancher, mur, cloison, plafond…). La qualite´ pare-flammes et, pour les e´ le´ ments porteurs, une stabilite´ mećanique suffisante doivent eˆtre assure´ es et l’e´ le´vation des t empe´ratures sur la face de l’e´le´ment non exposeé a` l’incendie doit eˆ tre infe´ rieure a` 140 K en moyenne et ne doit exce´der en aucun point 180 K.

structure principale. En l’absence d’un dispositif d’extinction automatique d’incendie, elle est de classe R 60 lorsque la hauteur au faı ˆ tage est supe´rieure a` 12,50 m. Pour les entrepoˆ ts soumis a` autorisation [26], une re´sistance au feu de 1 heure (R 60) n’est demandeé que pour les baˆtiments a` simple rez-de-chausseé de plus de 12,5 m de hauteur et ceux ayant plus d’un niveau. Toutefois, pour les baˆtiments a` simple rez-de-chausseé, ce degre´ de stabilite´ au feu 1 heure n’est pas exige´ si le baˆtiment est dote´ d’un dispositif d’extinction automatique d’incendie et qu’une e´tude spećifique d’ingeńierie incendie conclut a` une cine´matique de ruine de´montrant :

Le classement est exprime´ en degre´ lie´ a` une dureé d’incendie pendant laquelle l’e´ le´ment re´pond aux crite` res impose´ s. Par exemple, un poteau peut eˆ tre classe´ SF 1 h 30, une porte PF 1/2 h, un plancher CF 1 h …

– le non-effondrement de la structure vers l’exte ´ rieur de la premie`re cellule en feu ; – l’absence de ruine en chaı ˆ ne ; – une cine ´ tique d’incendie compatible avec l’e´vacuation des personnes ; – l’intervention des services de secours.

Il faut toutefois savoir que l’incendie de re´ fe´ rence utilise´ pour e´ tablir ces classements est repre´ sente´ par une e´ volution tempe´ rature/temps conventionnelle (aussi de´ nomme´ e « courbe normalise´ e » ou « courbe ISO », car faisant l’objet de la norme ISO 834) (figure 1). Ce qui signifie que les degre´s de re´sistance au feu que doivent pre´senter les e´le´ments de construction ne refle`tent pas le comportement qu’ils auront dans un ` la diffe´ rence de l’incendie conventionnel, l’inincendie reél. A cendie naturel (e´galement deńomme´ « reél ») de´pend du local dans lequel le f eu se de´veloppe. Cette de´ pendance est fonction des caracte´ristiques de ce local et des mate´riaux combustibles pre´ sents (voir § 2.2.2 et 2.2.3) : – nature des parois ; – nature et quantite´ des combustibles ; – surface d’e´ change gazeux avec l’exte´rieur (du local, etc.).

ˆ t multi-e´ tage´ ´ gime, dans le cas d’un entrepo  Quel que soit le re une re´ sistance au feu de 2 heures est demandeé pour les planchers interme´diaires. En outre, pour des utilisations spe´ cifiques telles que la papeterie [27] ou la plasturgie [28], des exigences de stabilite´ au feu de 1/2 h a` 1 h sont demandeés. &

Silos et autres stockages de produits organiques

´ reáles, grains, pro Les silos et installations de stockage de ce duits alimentaires ou tout autre produit organique de´gageant des poussie`res inflammables (rubrique 2 160) dont le volume total de stockage est supe´rieur a` 5 000 m3, mais infe´rieur ou e´gal a` 15 000 m3. Ils sont soumis au re´gime de la dećlaration [29] qui n’impose, pour les silos me´talliques, qu’une conception des baˆtiments permettant d’e´viter un effondrement en chaı ˆ ne de la structure, et demande que les escaliers, monte-charges, ascenseurs situe´ s dans la tour de manutention fermeé sur quatre coˆte´s soient encage´s par des parois coupe-feu degre´ 1 heure (REI 60).

´ enDans le cadre de l’harmonisation des approches europe nes ([32], [33], [35]), de nouvelles de´ nominations sont de plus en plus utilise´ es pour exprimer les capacite´s de re´ sistance au feu des e´le´ments de construction ; elles font re´fe´rences a` des crite` res tre` s proches de ceux utilise´ s preće´demment en France :

&

– stabilite´ mećanique : R ; – e´tancheíte´ aux gaz chauds : E ; – isolation thermique : I.

` autorisation, il est demande  Pour les silos soumis a ´ qu’une e´tude de dangers inte´ grant une analyse de risques de´ finisse et justifie les mesures de pre´ vention et de protection a` mettre en œuvre.

` ´ s ci-dessus, les classements sont  A partir des symboles indique alors, par exemple :

ˆ timents de bureaux 1.1.5 Ba

– pour une poutre stable au feu 1 heure : R 60 ; – pour une porte pare-flamme 1/2 heure : E 30 ; – pour un mur coupe-feu 1 heure 30 : REI 90

Une re´ sistance au feu de 1 heure n’est demandeé que pour les baˆtiments [31] ayant un plancher situe´ a` plus de 8 m du niveau du sol.

ˆ te´ du 22 mars 2004 modifie´ [19], la re´ sis Conforme ´ ment a` l’ arre tance au feu d’un e´le´ment de construction peut eˆtre justifieé a` partir :

1.2 Moyens de justifications

– du re´sultat d’un essai au feu effectue´ sur un ećhantillon repre´ sentatif de l’e´ le´ment concerne´ ; – d’une analyse spećifique (extension de classement, avis de chantier …) de´livreé par un laboratoire agreé´ par le ministe`re de l’Inte´ rieur [36] ; – d’un calcul conforme´ ment a` une me´thode agre´ eé par le CECMI (Comite´ d’e´tudes et de classification des mate´riaux vis-a`-vis du danger d’incendie), telles les parties « feu » des Eurocodes

En matie`re de re´ action au feu, les mate´riaux sont classe´s en 5 cate´gories suivant leur combustibilite´ [18]. L’acier, en tant que mate´riau incombustible, est classe´ dans la meilleure cate´gorie (M0). Les autres cate´gories sont M1 a` M4. Les mate´riaux trop combustibles ou tre`s rapidement inflammables, situe´ s au-dela` de M4, n’e´tant pas classe´s. Toutefois, dans le cadre de l’harmonisation europeénne, le classement des produits fixe´s a` demeure au baˆtiment, vis-a` -vis de l eur re´ action au feu, fait appel a` de nouvelles cate´gories allant de A1, A2, B jusqu’a` E, voire F pour les mate´riaux non classe´s ; l’acier ayant le classement A1 [32] a` [34].

Température (en °C) 1 200 1 000 800 600 400 200 0

En matie` re de re´ sistance au feu [19], les trois classements requis sont de´ finis comme suit.

&

´ au feu (SF) qui concerne la stabilite´ mećanique des  La stabilite e´le´ments de construction n’ayant qu’un roˆle structural porteur (poutre, poteau, tirant).  Le pare-flammes (PF) qui concerne principalement des e ´ le´ments de compartimentage au contact desquels des mate´riaux combustibles ne sont pas entrepose´s (porte, cloison vitreé, couverture…). Il est demande´ que ces e´le´ments ne laissent pas passer de gaz chauds.

0

30 60 90 120 150 180 210 240 Temps (en min)

Figure 1 – Incendie conventionnel (ou normalise´ ou ISO)


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C 2 506v2 – 3

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＰＶ SEĆURITE´ INCENDIE DES OUVRAGES EN STRUCTURES ACIER ET ACIER/BE´ TON – PARTIE 1

2. Actions sur les structures en cas d’incendie

(versions EN + Annexe Nationale) ([1] a` [6]), les DTU (Documents techniques unifie´ s) traitant du comportement au feu ([9], [10]) restent toutefois utilisables jusqu’au 31 mars 2014. L’annexe nationale d’une partie d’Eurocode permet de fixer certains parame`tres laisse´ s a` l’apprećiation des e´tats membres de l’Union Europe´ enne et de de´finir le statut d’annexes laisse´ es informati ves.

Seuls les laboratoires agreé´s par le ministe`re de l’Inte´rieur [36] peuvent fournir les justifications conforme´ment aux deux premiers cas pre´ cite´s. 

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Les actions a` prendre en compte sont : – les actions thermiques, repre´sentant l’action de l’incendie ; – les actions me´ caniques qui agissent sur les structures lors d’un incendie.

Les Eurocodes se re´ partissent en 2 groupes :

– le premier concerne les actions. Les actions en cas d’incendie sont de´finies dans la partie 1.2 de l’Eurocode 1 (EN 19911.2) ([1], [4]) ; – le second groupe traite de la re´ ponse des structures en f onction du mate´riau utilise´. Ainsi, l’Eurocode 3 partie 1.2 (EN 19931.2 [2], [5]) concerne le comportement au feu des structures en acier, et l’Eurocode 4 partie 1.2 (EN 1994-1.2 [3], [6]) le comportement au feu des structures mixtes dans lesquelles l’acier et le be´ton interviennent conjointement.

2.1 Actions me´ caniques Pour les actions mećaniques, la formule geńe´rale pour de´terminer l’effet des actions [1] est : Σγ GA ⋅ Gk + ψ 11 , ⋅Qk ,1 + Σψ 2 ,i ⋅ Q k ,i

avec

L’utilisation de certains mode`les de calcul pre´sente´ s dans ces parties d’Eurocodes et faisant appel a` des techniques d’ingeńierie du comportement au feu, est soumise [19] a` un avis sur e´ tude d’un laboratoire agreé´ en re´ sistance au feu [36].

1.3 Inge´ nierie du comportement au feu L’inge´ nierie de la sećurite´ incendie, dont l’inge´ nierie du comportement au feu est une des composantes, s’appuie sur diffe´rentes disciplines pour permettre l’e´valuation des r isques et des mesures de protection pre´sents dans un baˆ timent. Il est maintenant possible d’apprećier globalement le comportement au feu d’un baˆ timent, et non plus de se limiter a` ne conside´rer que celui de ses composants pris i nde´pendamment les uns des autres.

valeur caracte ´ ristique de la principale action variable,

Q k,i

valeur caracte´ristique des autres actions variables,

g GA = 1

facteur partiel de se ´ curite´ pour situation accidentelle,

y 1,1 · y 2,i

combinaison de coefficients pour les baˆtiments.

Dans le cadre de l’action accidentelle « incendie », seuls les coefficients associe´s et Y 1 et Y 2 interviennent. Leur valeurs sont fixeés dans l’Eurocode « bases de calcul des structure´ s » EN 1990 ([11], [58]), en fonction de l’action variable conside´reé et la cate´gorie du baˆ timent. Le tableau 1 re´ capitule les valeurs fixe´ es pour diffe´rentes cate´ gories de baˆ timents. E´tant donne´ que deux actions accidentelles diffe´rentes sont conside´reés ne pas pouvoir se produire simultane´ment, il n’est pas pris en compte d’autres actions accidentelles telles que l’explosion ou le seísme. Pour simplifier le nombre de combinaisons a` e´tudier, une f ormulation simplifieé de l’effet des combinaisons d’actions peut eˆtre de´duite des effets des actions de´termine´ s dans le calcul a` tempe´ rature normale.

valeur de calcul de l’effet des actions pour la situation d’incendie de calcul, selon l’EN 19911-2 [1] s’exerçant sur la structure ou la partie de structure,

´ e est donne´ e dans l’Eurocode 1 Cette formulation simplifie partie 1.2 [1] :

&

E fi,d, t = ηfiE d

re´sistance de calcul correspondante de la structure ou de la partie de structure en acier ou mixte, pour la situation d’incendie de calcul, au temps t .

avec

Pour ve´ rifier cette condition, i l faut e´valuer les actions agissant sur la structure en cas d’incendie (§ 2), puis la re´ponse thermique de cette structure (§ 3), et ensuite son comportement mećanique (article [C 2507]).

C 2 506v2 – 4

Q k,1

&

E fi,d ≤ R fi,d, t

R fi,d,t

valeur caracte´ristique de l’action permanente,

Le coefficient Y associe´ repre´ sente l’aspect cumulatif des combinaisons d’actions variables ou accidentelles, impliquant une action dominante et des actions variables non dominantes re´duites.

En ce qui concerne spećifiquement le comportement au feu, la fonction porteuse d’une structure ou d’une partie de structure est suppose´ e assure´ e, apre` s un temps t d’exposition a` un incendie donne´, si :

E fi,d

G k

E´tant donne´ que la probabilite´ d’occurrence d’un incendie conjointement avec des niveaux de charges e´leve´s est extreˆmement faible, les facteurs partiels de sećurite´ a` appliquer sont fortement re´ duits en comparaison de ceux utilise´ s pour le dimensionnement a` froid.

Cette approche permet d’adapter les moyens de protection incendie aux risques re´ ellement encourus dans un baˆtiment ou un ouvrage de ge ´ nie civil. Dans ces conditions, il est alors possible de concevoir des ouvrages avec une plus grande liberte´ d’expression, parfaitement adapte´s a` leur finalite´, mettant en œuvre les moyens de protection les plus approprie ´ s, et donc, pre´sentant une meilleure rentabilite´ des investissements. Tout en assurant un haut niveau de se ´ curite ´ pour les occupants, les biens et l’environnement.

avec

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

E d

valeur de calcul des effets des actions a` partir de la combinaison fondamentale selon l’Eurocode 1 partie 1 (y compris les coefficients partiels de sećurite´ ),

E fi,d,t

valeur de calcul des effets des actions correspondant a` la situation d’incendie,

hfi

facteur de re´duction du niveau de chargement en situation d’incendie.


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＷ

Construction mince par Anna SOKOL-PALISSON Ingeńieur Conseil – SOKOL PALISS ON Consultants et

´ opold SOKOL Le Docteur inge´ nieur Professeur CHEM – SOKOL Consultants

1. 1.1 1.2 1.3

´ cificite´ s des e´ le´ ments minces ............................................... Spe De´finition de cette classe .................... .................... .................... ....... Types de sections des e´ le´ments forme´ s a` froid ................... ............. Avantages et inconve´ nients des e´ le´ ments forme´ s a` froid .... ..... ..... ..

2. 2.1 2.2 2.3

Fabrication ....................................................................................... Mate´riaux – Produits de base ................... ..................... .................... Mise en forme .................................................................................... Traitement de surface.........................................................................

3.

´ s du comportement me ´ canique des e ´ le´ ments Particularite ´ s a` froid .................................................................................. forme Effets du formage a` froid ................... ..................... ..................... ...... Efficacite´ de la section comprimeé et/ou fle´ chie.............. ................. Re´sistance de la section a` l’action d’une charge transversale concentreé .................... .................... ....................... .................... ....... De´formation transversale de la section......... ..................... ...............

C 2 517 – — — —

2 2 2 2

— — — —

2 2 2 2

— — —

4 4 5

— —

5 5

´ cution des structures Exigences normatives pour l’exe a ` partir des produits forme ´ s a` froid ............................................

—

6

5.5

Mise en application ........................................................................ Principes geńe´raux de conception....................... .................... .......... Question du choix optimal des produits ........................................... Assemblages .................... ...................... .................... ..................... ... Manutention ................... ..................... .................... ...................... ..... 5.4.1 Transport ..................... .................... .................... ..................... 5.4.2 Stockage................ ..................... ...................... ..................... ... 5.4.3 Montage ................................................................................... Secteurs d’application, exemples de produits ..................................

— — — — — — — — —

7 7 7 7 9 9 9 9 9

6.

Conclusion........................................................................................

—

11

3.1 3.2 3.3 3.4 4. 5. 5.1 5.2 5.3 5.4

Pour en savoir plus ................................................................................

Doc. C 2 517

’e´volution des connaissances dans le domaine du comportement meća-

L nique des produits de baˆ timent en acier forme´s a` froid (dits « e´ le´ments min- ＵＱＰＲｲ･ｩｲｶ￩ｦＺｮｯｩｴ｡､ｩｬ｡ｶ･ｲ￨ｩｮｲ･ｄＭＹＰＰＲｩ｡ｭＺｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

ces ») dans le dernier quart du vingtie`me sie`cle a permis une avanceé conside´- rable sur le plan normatif. Tout d’abord, ont e´te´ publieés les recommandations europeénnes, ensuite la version expe´rimentale « ENV » d’une premie`re norme europe´ enne et, finalement, une se´ rie de normes de´ finitives sur le calcul et l’exe´- cution des structures en e´le´ments forme´ s a` froid. Ces divers documents ont fortement contribue´ a` la vulgarisation et au de´veloppement du marche´ de ces produits, qui, graˆce a` leurs nombreux avantages, trouvent de´sormais des applications dans pratiquement tous les secteurs du baˆ timent. Cependant, une connaissance lacunaire des diffe´rences de comportement des produits forme´s a` froid par rapport aux produits classiques empeˆche souvent de tirer pleinement profit des avantages offerts par les premiers. L’objet de ce dossier est donc de familiariser le lecteur avec les particularite´s qui accompagnent les produits forme ´ s a` froid dans toutes les phases de leur mise en œuvre.


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＷ CONSTRUCTION MINCE –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

´ cificite´ s 1. Spe des e´ le´ ments minces

´ nients 1.3 Avantages et inconve ´ ments forme´ s a` froid des e´ le &

Par rapport aux produits lamine´ s a` chaud, les produits forme´ s a` froid pre´sentent de nombreux avantages, tels que : – facilite´ de reálisation de formes geóme´triques optimales par rapport aux exigences mećaniques et fonctionnelles ; – le´ ge` rete´ ; – meilleures performances mećaniques des e´le´ments par unite´ de poids ; – durabilite´ (re´ sistance a` la corrosion), graˆce a` la protection syste´matique efficace (zinc, pre´-laquage, reveˆtement plastique) appliqueé dans l’usine sur le mate´ riau de base (les diffe´ rents proce´ de´s sont de´ taille´ s dans le chapitre 2.3) ; – faculte´ de recyclage ; – facilite´ du transport (souvent les produits sont empilables, donc occupent un faible volume lors du transport) ; – facilite´ et rapidite´ de mise en œuvre graˆce a` la « manu portabilite´ » et a` la prećision des dimensions ; – possibilite´ de correction acoustique ; – aspect esthe´tique gr aˆce au reveˆ tement durable et harmonieux, facile a` adapter en fonction de l’environnement et des exigences architectoniques.

´ finition de cette classe 1.1 De Deux aspects de comportement conduisent a` la qualification d’un e´ le´ment structural dit « mince » :

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– sous l’effet de la compression : l’e´ le´ ment est conside´ re´ « a` parois minces », lorsque, sous l’effet de la compression, certaines de ses parties sont susceptibles d’instabilite´ s locales avant que la limite d’e´lasticite´ ne soit atteinte. De telles instabilite´s sont notamment le voilement de paroi, l’instabilite´ par distorsion de la section (flambement des raidisseurs) et l’ećrasement local sur appuis ; – sous l’effet de la torsion : l’e´le´ment est conside´ re´ « a` parois minces », lorsque, sous l’effet de la seule torsion, les contraintes normales cre´ eés par celle-ci dans la section ne sont plus ne´ gligeables. Cette situation se rencontre pour une charge appliqueé en dehors du centre de cisaillement, lorsque chacune des trois dimensions de la section – a` savoir longueur L, largeur B et e´paisseur t – est d’un ordre diffe ´ rent de celui des deux autres, c’est-a`-dire, si, approximativement, L / B ø 10 et B / t ø 10.

&

Quant aux inconve´ nients des produits forme´ s a` froid, ils re´sultent essentiellement de leurs particularite´s dont il y a lieu de tenir compte. Il s’agit des proprie´te´s mećaniques citeés dans le chapitre 3, ainsi que des conditions a` respecter lors du transport, stockage et manipulation lors du montage, e´ tant donne´ que ces produits sont plus sensibles a` des endommagements et alte´rations du fait de leur faible e´paisseur et d’une certaine sensibilite´ des reveˆtements.

´ le´ ments 1.2 Types de sections des e ´ s a` froid forme En fonction du comportement mećanique des e´le´ments, on distingue : – les profils dits « larges » : plaques nervureés et plateaux (figure 1 ). Ces profils sont utilise´s comme coffrage et armature de planchers mixtes acier-be´ton ou encore pour la reálisation de couvertures de baˆtiment et de bardages. Sous l’action des charges transversales, ces profils travaillent geńe´ralement en flexion. Les parties soumises a` la compression et au cisaillement sont propices a` des instabilite´s de voilement local ; – les profils dits « longs » : pannes, lisses, poutres, solives, poteaux (figure 2). Ces profils sont utilise´s pour des structures a` barres ou` ils peuvent eˆ tre soumis a` une ou plusieurs des sollicitations suivantes :

2. Fabrication ´ riaux – Produits de base 2.1 Mate Les produits de base sont des bandes lamine´ es a` chaud ou a` froid adapte´ es au formage a` froid et a` la galvanisation, d’e´paisseur 0,45 a` 15 mm et de largeur allant jusqu’a` 2 0 00 mm. Dans la pratique courante, les produits larges sont reálise´s en e´paisseurs de 0,5 a` 1,5 mm ; les produits longs le sont en e´paisseurs de 1,5 a` 4 mm.

– flexion dans une ou deux directions perpendiculaires a` leur axe, – torsion, – compression.

Les limites d’e´lasticite´ du mate´riau de base vont de 235 a` 420 N/mm2, pour des aciers ordinaires, et jusqu’a` 700 N/mm 2, pour des aciers a` haute li mite d’e´lasticite´ (HLE). On remarque que l’emploi des aciers HLE est peu fre´ quent dans la pratique courante.

Ils sont principalement expose´ s a` des instabilite´s locales (voilement) ou d’ensemble (flambement par flexion ou par flexiontorsion, de´versement).

2.2 Mise en forme

Ces deux types de profil sont forme´ s a` froid par di ffe´rents proce´ de´s tels que profilage, pliage, cintrage, de´veloppe´s dans le chapitre 2.2.

La mise en forme des produits se fait par des ope´ rations de : – pliage (figure 3 ) ; – profilage en continu (figure 4 ) ; – cintrage (figure 5 ) ; – bossage (figure 6 ).

Figure 1 – Exemples de profils « larges »

2.3 Traitement de surface La corrosion est un processus e´ lectrochimique qui, sous l’effet de l’oxyge`ne et de l’eau, transforme l’acier en hydroxyde de fer (rouille). En raison de sa structure poreuse, la rouille permet une progression de l’oxydation vers l’inte´rieur et la de´te´rioration progressive de l’e´ le´ment.

Figure 2 – Exemples de profils « longs »

C 2 517 – 2


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–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

CONSTRUCTION MINCE

Ｒ ` Chalons Figure 3 – Ope´ ration de pliage dans l’usine PRIVE S.A. a en Champagne

Figure 6 – Ope´ ration de bossage dans l’usine ArcelorMittal a ` Strasbourg

ˆ le en ligne de profilage dans l’usine Figure 4 – Entre´ e de la to ` Chalons en Champagne PRIVE S.A. a

ˆ le pre ´ laque ´ e (Cre´ dit : « Colorissime Figure 7 – Exemple d’un coloris en to by Arval », ArcelorMittal)

ˆ le pre´ -laque ´ e. Cite´ du Train Mulhouse. Figure 8 – Bardage en to Architecte : Atelier F. Seigneur & S. De La Sure (Cre´ dit : ARVAL-Guide des Matie` res)

ˆ le a ` la sortie de la ligne de profilage Figure 5 – Cintrage lisse de la to dans l’usine PRIVE S.A. a` Chalons en Champagne

` ce titre, sa surface doit eˆ tre L’acier est un mate´ riau corrosif. A ´ ge´ e. Une telle protection est en geńe´ral reálise´ e, avant le proprote filage, a` l’aide des moyens suivants :

La durabilite´ des protections me´ talliques est de l’ordre de 20 a` 50 ans, en fonction du type et de l’e´paisseur du reveˆtement. &

ˆ tement plastique sont applique´s en Le pre´ -laquage et le reve comple´ment des reveˆtements me´talliques. Ils pre´sentent une grande varie´ te´ d’options en ce qui concerne les e´paisseurs, les coloris et les textures (figures 7 et 8 ). En dehors des aspects architectoniques et esthe´tiques, ils augmentent conside´ rablement la durabilite´ des produits vis-a`-vis de la corrosion.

ˆ tements me´ talliques ; – reve – pre´ -laquage (re´ alise´ avant le profilage a` froid) ; ˆ tement plastique ; – reve – e´ maillage. &

ˆ tement me´ tallique a` base de zinc et le reveÔn distingue le reve tement allie´ (zinc + autre me´ tal), tous deux re´ alise´ s par immersion a` chaud en continu (me´thode appele´ e Sendzimir, du nom de l’inge´ nieur polonais, inventeur du proce´de´).



L’e´ mail, vitrifie´ par cuisson au four a` 830 , apporte une re´ sistance tre`s durable a` la corrosion, ainsi qu’aux UV et graffitis. Il permet d’obtenir des couleurs et des motifs tre` s varie´ s sur la surface de la toˆle (figure 9 ).

&

Toute reproduction sans autorisatio n du Centre franç ais d’exploit ation du droit de copi e est strictement interdite. – © Editions T.I.

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Les poutres de roulement de ponts roulants par

´ bastien BRUN Se Ingeńieur (CPA Experts, PARIS (France)) Ancien e´ le`ve du CHEC

et

Malory SIMON Ingeńieur e´ tudes (ESG BE, Beaurepaire (France)) Ancien e´ le`ve de Polytech Clermont-Ferrand (ex CUST)

1. 1.1 1.2

1.3 2. 2.1

2.2

3.

Ponts roulants ................................................................................. L’outil « pont roulant » – Terminologie.............................................. Diffe´rents types de ponts roulants ................... ....................... .......... 1.2.1 Ponts pose´ s... ...................... .................... ....................... .......... 1.2.2 Ponts suspendus...................................................................... 1.2.3 Portiques .................................................................................. 1.2.4 Semi-portiques ................... .................... ...................... ........... Parame`tres de choix d’un pont roulant.............................................

Ｒ C 2 518 – — — — — — — —

2 2 3 3 4 4 4 4

Poutres de roulement ..................................................................... Conception ......................................................................................... 2.1.1 Diffe ´ rents types de poutres de roulement .............................. 2.1.2 Structure des supports ............................................................ 2.1.3 Donne´ es d’entre´ e pour le calcul d’une poutre de rou lement Me´thodes de calcul ................... ...................... .................... ............... 2.2.1 De´termination des sollicitations globales et locales .............. 2.2.2 Principes de ve´rifications ..................... ..................... .............. 2.2.3 Ve ´ rifications a` l’ELS ................... ...................... .................... .... 2.2.4 Ve ´ rification a` la fatigue et dispositions constructi ves associeés .................. ...................... ..................... .................... .

— — — — — — — — —

5 5 5 8 12 15 16 21 22

—

23

Conclusion........................................................................................

—

25


Doc. C 2 518

´ ment spećifique de charpente me´tallique parce que situe´ a` l’interface ´ leentre E la structure primaire et l’engin de manutention, la poutre de roule-

ment de pont roulant concentre a` elle seule bon nombre des proble´ matiques rencontreés dans les techniques de conception et de calcul des constructions en acier. En effet, nous sommes en pre´sence ici de sollicitations dues aux charges mobiles, de torsion non uniforme, d’actions dynamiques, de sujets d’effets locaux spećifiques et de risques de fatigue qui sont autant de sujets d’analyse technique rarement pre´sents simultane´ment sur un meˆme e´le´ment. Une poutre de roulement peut permettre la circulation d’un simple palan suspendu dans un atelier d’entretien automobile, mais aussi d’un pont roulant d’installation side´ rurgique fonctionnant jour et nuit sans interruption et portant plusieurs centaines de tonnes. Entre ces deux configurations extreˆmes, il y a e´videmment une grande diffe´ rence de conception. Aussi, pour faire le bon choix de conception, il est ne´ cessaire de connaı ˆ tre les diffe´rents types de pont roulant utilise´s, leur mouvement, ainsi que les diffe´- rents parame` tres qui les caracte´ risent. ＷＱＰＲｲ･ｩｲｶ￩ｦＺｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

Passe´ e cette premie` re e´tape, il est alors possible de mettre en relation les poutres de roulements adapte´ es aux diffe´rentes configurations qui s’accompagnent de

Copyright

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Techniques de l’Inge´ nieur - Tous droits re´serve´ s

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＸ LES POUTRES DE ROULEMENT DE PONTS ROULANTS

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

mesures qualitatives particulie` res dont le niveau augmente avec l’importance des diffe´rents parame` tres que sont :

– la porteé du pont ; – la porteé des poutres de roulement ; – les caracte´ristiques et l’intensite´ de la charge a` lever ; – le nombre de cycles de manutention pre´vus pendant la dureé de vie des poutres de roulement. Longtemps conç ues et dimensionneés suivant un assemblage de normes et de recommandations he´ te´roge`nes, les poutres de roulement sont, depuis quelques anneés, re´ gies par un code de calcul unique en harmonie avec le code utilise´ pour l’e´tude des engins de levage et de manutention.

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Les me´thodes de calculs employe´ es utilisent les sollicitations de´ termine´ es par la re´sistance traditionnelle des mate´ riaux que sont les torseurs d’efforts classiques a` six composantes. Mais, dans un grand nombre de cas, il est ne´ cessaire d’utiliser la the´ orie de la torsion fle´ chie (ou de Vlassov). Pour les poutres solliciteés par des charges importantes et pour une utilisation intensive en termes de cycles de manutention, la ve´rification a` la fatigue devient pre´ponde´rante en regard des limites traditionnelles de re´sistance et de de´formation.

Des dispositions constructives adapteés permettent alors de limiter les chocs et les concentrations de contraintes dans les assemblages soude´ s ou boulonne´s.

1. Ponts roulants

pont. Ces d ernie`res reposent sur les sommiers e´quipe´s de simples galets, ou de boggie, permettant ainsi la circulation du pont roulant sur le rail de roulement (cf. figure 2).

1.1 L’outil « pont roulant » – Terminologie

Un pont roulant est qualifie´ de « bipou tre » s’i l est constitue´ de deux poutres principales, et de « monopoutre » s’il y n’en a qu’une seule (figure 3).

Un pont roulant est un appareil de levage et de de´placement de charges circulant sur une succession de poutres de roulements (figure 1).

Cet ensemble d’e´ le´ments permet d’assurer un transport d e charges dans les 3 directions. Chaque mouvement porte un nom de´fini (figure 4) : – le levage correspond au mouvement vertical ; – l’orientation est la rotation de l’axe vertical ; – la direction est associe´ e au de´placement du chariot ; – la translation est associe´ e a` celui du pont rou lant.

Une file de poutres de roulement constitue une voie de roulement et l’ensemble des voies de roulement repre´ sentent le chemin de roulement.

Nous verrons ici qu’un pont rou lant, ainsi que les e´le´ments soumis a` ses actions, sont classifie´ s a` partir de cycles de levages et de spectre des charges.

Un pont roulant est constitue ´ d’un treuil de levage situe´ sur un chariot qui se de´place sur la (ou les) poutre(s) principale(s) du

Poutres principales

Poutres de roulement

Chariot

Pont roulant

Moteur de translation Sommier

Figure 2 – Terminologie des e´ le´ ments constituant un pont roulant (Cre´ dit Verlinde)

Figure 1 – Pont roulant et poutres de roulement (Cre´ dit Verlinde)

C 2 518 – 2

Galet

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＸ ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– LES POUTRES DE ROULEMENT DE PONTS ROULANTS

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` gauche) et monopoutre (a ` droite) (Cre´ dit Verlinde) Figure 3 – Ponts roulants pose´ s bipoutre (a

Le terme C i / Cr donne le nombre relatif de cycles de travail, et le terme Q i / Qr la charge relative. Lorsqu’il y a plusieurs taˆ ches (cas le plus courant), une valeur de kQ pour toutes les taˆ ches est obt enue a` partir de la formule

TRANSLATION DIRECTION

kQ

=∑ r

avec

Q r

3

Q r  ⋅ kQ r ⋅     C Q 

C r

valeur maximale de Q r pour toutes les t aˆches.

ORIENTATION

´ rents types de ponts roulants 1.2 Diffe Le choix d’un type de pont roulant est lie´ a` la configuration de la structure qui le supporte ainsi qu’a` l’utilisation qui en sera faite.

LEVAGE

On distingue : – les ponts pose´s ; – les ponts suspendus ; – les portiques ; – les semi-portiques.

Figure 4 – Terminologie des mouvements possibles (Cre´ dit Verlinde)

Un « cycle de levage » (ou cycle de travail) est une se´quence de mouvements qui commence lorsque l’appareil de levage a` charge suspendue est preˆt a` soulever la charge utile et qui s’ache`ve lorsque l’appareil de levage est preˆ t a` soulever la charge utile suivante (NF EN 13001-1, a` consulter parmi les normes listeés dans le Pour en savoir plus ).

Les deux premiers types de pont re´pertorie´s sont les plus couramment utilise´ s dans le do maine de la charpente me´tallique.

1.2.1 Ponts pose´ s

Le facteur « spectre de charge » caracte´rise l’ensemble des charges leveés pour la dure´ e totale d’utilisation d u pont roulant au vu de sa capacite´ nominale.

Les ponts roulants pose´s circulent sur des poutres d e roulement (figure 3). Leur importante capacite´ de levage ainsi qu e leur relative facilite´ de mise en œuvre en font les ponts roulants les plus couramment utilise´s.

Pour une taˆche donne´ e, il peut se formuler de la manie` re sui vant (norme EN 13001) : kQ r

avec

&

3

 Q  = ∑ ⋅  l  C r  Q r  i C i

Avantages

Parmi les points forts lie´ s a` ce type de ponts, nous pouvons citer :

C i

nombre de cycles de travail ou ` une charge nette i d’amplitude Q i est manutentionneé pour la taˆche r ,

C r

nombre de cycles de travail de la taˆche r ,

Q i

amplitude de la charge i ,

Q r

charge nette maximale de la taˆche r .

– le non-encombrement du sol par la voie de roulement (par rapport aux ponts portiques et semi-portique) ; – un impact re´ duit sur la structure car les efforts engendre´ s sont transmis aux droit des poteaux (contrairement aux ponts suspendus qui sont soutenus par les fermes / traverses du baˆtiment) ; – une capacite´ de levage plus importante que celle d’un pont suspendu, conse´ quence du po int pre´ ce´dent.


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&

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Inconve´ nients

Les ponts suspendus peuvent circuler sur plus de deux poutres de roulement pouvant eˆ tre distantes de 30 a` 40 m, permettant de couvrir des zones de 80 a` 100 m avec 2 ou 3 traveés.

Cependant, ce type de pont pre´sente e´ galement les quelques points faibles suivants :

Contrairement aux ponts pose´s, les supp orts des poutres de roulement d’un pont suspendu ne sont pas des appuis parfaits, mais ils sont plutoˆt assimilables a` des appuis e´lastiques car situe´s sous les fermes d e baˆtiments.

– le compromis charge a` lever / porte´ e peut eˆ tre important mais reste limite´ (pouvant aller jusqu’aux environs de 40 t sur 26 m pour un pont de catalogue fournisseur) : le pont reprend seul la charge leveé pour la transmettre aux poutres de roulement situ eés a` ses extre´mite´s ; – leur encombrement est souvent supe´ rieur a` celui d’un pont suspendu, ce qui re´ duit la hauteur sous crochet ou nećessite d’augmenter la hauteur de la structure porteuse.

Les limites de de´ placements diffe´ rentiels entre supports de poutres de roulement e´tant particulie ` rement restrictives (environ le 600e de l a porte´ e), i l est nećessaire de s’assurer q ue des de´formations de la structure me´ tallique sont acceptables par le p ont roulant (cf. 2.2.3).

1.2.2 Ponts suspendus

Ｒ

1.2.3 Portiques

Les ponts rou lants suspendus circulent sur les ailes infe´rieures des poutres de roulement. Un principe analogue est utilise´ concernant le de´placement du chariot le long de la poutre principale (figure 5 ).

Les voies de roulement des portiques roulants se trouvent au sol et la transmission des efforts lie´s a` l’action de levage se fait par l’interme´diaire de jambes (ou « pale´ es ») (figure 6).

Remarque Le chariot peut directement circuler sur l’aile infe ´ rieure d’une poutre de roulement, il s’agit alors d’un pont suspendu monorail.

Ce type de pont peut eˆ tre utilise´ dans le cas d’un parc exte´ rieur ou lorsque la structure porteuse du baˆtiment ne peut supporter les efforts engendre´s par le pont roulant tout en gardant des proportions « correctes ». C’est aussi le type de pont roulant principalement utilise´ dans les zones portuaires. Il est a` noter que ce type de pont, du a` la configuration de type portique, engendre des efforts horizontaux transversaux, aussi bien en phase statique, qu’en phase dynamique.

1.2.4 Semi-portiques Pour les ponts roulants en semi-portique, une voie de roulement se trouve au sol alors que l’autre est ae´rienne. Cette dernie`re repose en geńe´ral sur la charpente du baˆtiment (figure 7 ). Ce type d’e´quipement constitu e la combinaison entre un pont roulant pose´ et un pont roulant portique. Habituellement, ce type de solution est utilise ´ en comple´ment d’un pont roulant important pour assurer la liaison entre les postes de travail.

` tres de choix d’un pont roulant 1.3 Parame Figure 5 – Pont roulant suspendu (Cre´ dit Verlinde)

Les deux principaux parame`tres de´finissant le choix d’un pont roulant a` mettre en œuvre sont l’utilisation qui en sera faite et son futur environnement.

Figure 6 – Pont roulant de type portique (Cre´ dit J.P. Muzeau)

Figure 7 – Pont roulant de type semi-portique (Cre´ dit J.P. Muzeau)

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＱＸ ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– LES POUTRES DE ROULEMENT DE PONTS ROULANTS

De ces donneés se dećlinent l’ensemble des caracte´ristiques du pont :

assemblages, la conformite´ des limites de de´ formations ainsi que le comportement a` la fatigue, autrement dit sous un nombre de cycles de manutention lie´ a` la dure´ e de vie de l’installation.

– l’environnement permet de de´terminer : ´ e : distance entre appuis (poutres de roulement) du  la porte pont roulant, 

2.1 Conception

la hauteur sous crochet :

hauteur maximale entre le sol (ou la plateforme) et le dessous du crochet de levage en position leveé ;

2.1.1 Diffe´ rents types de poutres de roulement

– son utilisation permet d’ en de´ duire : ´ de levage : charge maximale pouvan t eˆ tre leveé,  la capacite  nombres de cycles de levage auxquels sera soumis le pont dans sa vie : la fre´ quence d’utilisation,  le spectre de charge.

2.1.1.1

Poutres de roulement

Dans le cas d’un pont pose´ , les efforts horizontaux indu its par les mouvements du pont roulant et de son chariot (de´ marrage, freinage…) e´tant applique´s au niveau du rail, la semelle supe´rieure est fortement sollicite´ e en flexion dans son plan.

La combinaison de ces deux types de donneés permet de choisir le type de pont approprie´.

&

` les de sections Divers mode

Pour re´ pondre a` ces contraintes, plusieurs types de sections sont envisageables (figure 8).

2. Poutres de roulement

` 20 t) Dans le cas de ponts le´ gers (jusqu’a On fait appel a` l’utilisation de : 

– poutrelles lamine´ es seules (jusqu’a` 5 t avec pre´ dominance de profile´s de type HE (figure 8 a ) ; ` res (figure 8 b ) ; – avec renforts en cornie – profile´ s reconstitue´ s soude´ s (PRS) avec une semelle supe´ rieure plus large, p lus e´paisse o u renforceé ( figure 8 c ). Les porteés courantes pour ce genre de conception sont par ailleurs de 5 a` 10 m, mais il est possible de couvrir des porteés allant jusqu’a` 15 m.

Le pont roulant et son support ainsi de´ termine´s, la poutre de roulement peut maintenant eˆtre e´tudieé. Sur la base des caracte´ristiques particulie`res du pont dećrites pre´ ce´demment et de la conception de la structure porteuse impose´ e par d’autres crite` res, comme par exemple la distance entre appuis, diffe´rents types de poutre de roulement sont rencontre´s. L’interface avec le pont roulant peut eˆtre re´ aliseé avec ou sans rail, et la stabilisation de la voie sur ses supports pre´ sente e´galement des possibilite´ s varie´ es.

Dans le cas des ponts moyens (20 a` 80 t) Il y a possibilite´ d’utilisation d’une poutre verticale sous rail et d’une pou tre horizontale en toˆle et/ou en treillis, appeleé « poutre de freinage », afin de reprendre les efforts horizontaux (figures 8 e et 8 f ).

Ceci e´ tant de´ fini, il devient possible alors de justifier par le calcul la to talite´ des e´ le´ments qui constitue cette poutre et ses liaisons avec le pont roulant et la structure porteuse. Les calculs sont mene ´ s dans le but de justifier la re´sistance des sections et des



Rail carré

a

poutrelle laminée

Rail Burbach

b

renfort en cornière

c

petit PRS

d

variante de poutre de freinage

Treillis

Treillis horizontal et/ou tôle

Croisillons

e

f

deux types de poutres de freinage

g

caisson en treillis

h

caisson PRS

Figure 8 – Types de sections de poutres de roulement


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C 2 518 – 5

Ｒ


––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Le cas de la figure 8d peut constituer une variante pour des ponts de capacite´ infe´rieure a` 50 t, ce genre de conception restant neánmoins relativement rare.

De meˆme, il est recommande´ de privile´gier les poutres isostatiques, disposeés les unes au bout des autres, pluto ˆ t que des poutres continues.

Dans le cas de ponts lourds (> 60 t) Il y a utilisation de caissons (de´ formables ou non) en treillis ou PRS (Profile´ reconstitue´ soude´ ) (figures 8 g et 8 h ).

´ rieure  Dans le cas d’un pont roulant suspendu, la semelle infe est fortement sollicite ´ e en flexion locale par le passage continu des galets et la semelle supe´rieure est solliciteé ponctuellement de la meˆme manie ` re au droit de l’appui de la poutre. On privile ´giera donc une poutre de roulement de type H, qui posse ` de des semelles plus larges (facilitant l’appui des galets) et plus e´paisses (limitant le « de´pliage » de ces semelles – cf. § 2.2.1.2) que les autres profils du commerce. Par ailleurs, dans ce cas, une section lamine´ e permet de s’affranchir de la soudure pleine section aˆ me semelle qui serait indispensable pour une section de type PRS.



Remarque ´ es sont,  Pour les poutres de roulements en PRS, les porte bien entendu, de´ pendantes des dimensions de la section de la poutre de roulement, au-dela` d’une porteé supe´rieure de 30 m, les projets deviennent exceptionnels. ´ s reconstitue´ s soude´ s (PRS) sont fabrique´s par  Les Profile soudage de to ˆ les et larges plats entre eux. Cela permet de constituer des profils sur mesure dont les sections peuvent eˆtre ajusteés au plus pre`s des besoins de re´sistance ou des contraintes dimensionnelles spećifiques d’un o uvrage. On par le e´ galement de « Poutre reconstitue´ e soudeé ».

Ｒ

Remarque Pour ce type de poutre, l’utilisation de raidisseurs d’aˆ me transversaux n’est geńe´ralement pas nećessaire. E n effet, d ans le cas d’un profil de type H, l’aˆme est en geńe´ral peu e´lanceé ce qui exclut le risque de voilement. De plus, il n’y a pas de torsion locale compte tenu de la position syme´trique des galets par rapport a` l’aˆme. Les raidisseurs sont alors uniquement utiles pour remonter les actions horizontales qui agissent sur la semelle infe ´ rieure au droit de l’appui. Cependant, pour les poutres de roulement avec section transversale de type H , l’aˆ me est en ge´ ne´ral capable, par flexion, d e conduire ces actions jusqu’a` la semelle supe´rieure. Enfin, la pre´sence de raidisseurs transversaux dans une poutre de roulement de pont suspendu est rapidement soumise a` la contrainte d’encombrement due a` la circulation des galets dans la hauteur de l’aˆme de la po utre de roulement.

La poutre de freinage peut eˆtre comple ` tement autoporteé (figure 8e ). Sa membrure exte´ rieure peut e´galement eˆtre appuye´ e en partie sur les poteaux situe´s au droit des appuis de la poutre de roulement. Dans les cas des figures 8e , 8f , 8g et 8h , la poutre de freinage peut eˆtre utiliseé comme support a` une passerelle d’entretien. Nota : L’utilisation d’un renfort de semelle supe´ rieure, quel qu’il soit, re´duit fortement le risque de de´versement de la poutre de rou lement.

&

Raidisseurs transversaux

En comple´ment des diverses sections repre´senteés sur la figure 8, il est nećessaire de mettre en place des raidisseurs transversaux distants d’environ 1,5 fois la hauteur de l’aˆme de la poutre. Dans le cas d’une poutre de freinage en treillis, ils sont dispose´s aux nœuds du treillis.

2.1.1.2 &

Fixation des rails

Petits ponts roulants

Pour les petits ponts roulants (environ 15 t) et pour des porteés de l’ordre de 5 a` 10 m, on peut employer des carre´s de 40 a` 50 mm de coˆte´, a` areˆtes coupe´ es ou arrondies en acier mi-dur (figure 10).

Leur inte´reˆt est multiple : ils participent a` la re´sistance au voilement (cf. 2.2.2.2), a` la re´ partition des efforts de to rsion dans la totalite´ de la section et, dans certains cas, comme vu preće´demment, au support de la poutre de freinage. Nota : Dans le cas de p onts de faible capacite´ (infe´rieure a` 5 t) et de faible porte´ e (de l’ordre de 5 m maximum), il peut eˆ tre tole´ re´ de ne pas pre´ voir de raidisseurs transversaux.

Rail rectangulaire

´ sistance a` la fatigue, la poutre principale  Pour des raisons de re est rarement reáliseé en poutre treillis. En effet la poutre treillis doit eˆtre construite sans jeux avec des assemblages soude´s ou par boulons prećontraints ce qui complique sa reálisation et rend cette solution non concurrentielle par rapport a` la solution P RS.

Rail carré

Rail carré coins arrondis

Rail carré surface bombée

Figure 10 – Types de sections de rails carre´ s fabrique´ s par les side´ rurgistes

Âme en flexion

Efforts transversaux

Figure 9 – Reprise des efforts horizontaux par l’a ˆ me dans le cas de ponts suspendus

C 2 518 – 6


ＹＰ


1– Instabilités 2– Constructions métalliques

Ｓ


Réf. Internet

Protection anticorrosion par galvanisation à chaud des structures métalliques

C2505

93

Protection anticorrosion des aciers par thermolaquage

C2508

99

Protection anticorrosion des aciers par systèmes de peinture liquide

C2509

105

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Protection anticorrosion par galvanisation à chaud des structures métalliques par

GALVAZINC Association pour le Développement de la Galvanisation à Chaud – ISO 1461

Marc LAPOINTE Président d’honneur Association française des technologies de l’acier peint (AFTAP) et

FILIÈRE PEINTURE ANTICORROSION

Ｓ

ACQPA – GEPI – Groupement Anticorrosion du SIPEV – OHGPI

1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Différents procédés de protection anticorrosion de l’acier par le zinc . Galvanisation à chaud au trempé.............................................................. Galvanisation à chaud en continu ............................................................. Shérardisation............................................................................................. Projection thermique de zinc (ou métallisation)....................................... Zingage électrolytique (ou électrozingage) .............................................. Zingage par matoplastie (parfois appelé « galvanisation mécanique ») Bilan des différents procédés de galvanisation........................................

C 2 505v2 — — — — — — —

2 2 3 3 3 4 4 4

2. 2.1 2.2 2.3

Galvanisation à chaud au trempé – Généralités ..................................... Intérêts de la galvanisation ........................................................................ Le procédé de galvanisation au trempé.................................................... Les normes..................................................................................................

— — — —

4 4 6 7

3. 3.1 3.2 3.3 3.4

Conception des pièces destinées à être galvanisées ............................. Choix des aciers.......................................................................................... Découpage des pièces avant galvanisation.............................................. Conception des pièces................................................................................ Préparation et logistique ............................................................................

— — — — —

8 8 9 9 14

4.

Contrôle des pièces galvanisées ..............................................................

—

15

5. Entretien et reconditionnement ............................................................... 5.1 Sels de zinc blancs...................................................................................... 5.2 Reconditionnement du revêtement de zinc..............................................

— — —

15 15 15

6. Mise en peinture de l’acier galvanisé....................................................... 6.1 Préparation de surface avant mise en peinture de l’acier galvanisé 6.2 Systèmes de peinture.................................................................................

— — —

16 16 17

7.

Conclusion ..................................................................................................

—

17

8.

Glossaire .....................................................................................................

—

17

Pour en savoir plus .............................................................................................. Doc. C 2 505v2

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Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés

ＹＳ

C 2 505v2 – 1


PROTECTION ANTICORROSION PAR GALVANISATION À CHAUD DES STRUCTURES MÉTALLIQUES __________________________________________________

Ｓ

a galvanisation à chaud est l’un des procédés anticorrosion des aciers les plus largement utilisés dans le monde. En 2013, environ 60 % des 13 millions de tonnes de zinc produites ont été uti- lisés pour la galvanisation d’aciers, permettant ainsi de prolonger notablement leur durée de vie. L’acier galvanisé est présent dans tous les secteurs d’activité : – bâtiment ; – transports ; – énergie; – mobiliers urbains ; – équipements ménagers et industriels… Le marché français, avec 600 000 à 800 000 tonnes d’acier galvanisé au trempé selon les années, est le 5 e marché européen de la galvanisation ; le marché allemand étant 1er avec plus de 2 millions de tonnes d’acier galvanisé tous les ans. L’expression « galvanisation à chaud » recouvre deux procédés industriels distincts : – la galvanisation à chaud en continu (de bobines ou de fils d’acier) ; – la galvanisation à chaud à façon (de pièces finies) selon la norme NF EN ISO 1461. Les structures métalliques étant galvanisées « à façon » ou « au trempé », nous nous intéressons ici à ce seul procédé et à sa mise en œuvre, dans le but de fournir aux utilisateurs et prescripteurs les moyens de parvenir à une qualité optimale. Dans un premier temps, nous présentons rapidement les différents procédés de protection de l’acier par le zinc, puis nous détaillons le procédé de galvanisation à chaud au trempé, son principe et sa mise en œuvre. Nous abordons ensuite les détails de conception, de fabrication, d’assemblage et de contrôle qu’il convient de connaître pour une mise en œuvre réussie de la galvanisation à chaud des structures en acier.

1. Différents procédés de protection anticorrosion de l’acier par le zinc

lieu choisi est connue, la durée de vie du revêtement peut être calculée avec une grande fiabilité. La caractéristique la plus importante des revêtements de zinc est donc leur épaisseur. Les revêtements de zinc peuvent être produits de différentes façons explicitées ci-après.

Le terme générique « galvanisation » est souvent utilisé indifféremment pour désigner un certain nombre de procédés dont les performances anticorrosion sont bien différentes. Cependant, chacun de ces procédés est associé à une norme qui spécifie sans ambiguïté la manière d’atteindre la qualité désirée. C’est pourquoi l’utilisation du terme « galvanisation » ou « galvanisé » seul, dans des cahiers des charges ou des dessins, est incomplète et donc insuffisante. Il signifie seulement qu’un revêtement de zinc est appliqué à l’acier. Il est nécessaire, en effet, de préciser également l’épaisseur et le mode d’application et donc la durée de vie du revêtement, et sa résistance aux contraintes mécaniques. Selon l’application, l’acier peut être protégé de manière efficace et économique contre la corrosion, au moyen de revêtements de zinc appliqués de façons diverses et avec des épaisseurs variées. Si l’on choisit le système de protection approprié, on est assuré d’atteindre la durée de vie requise. Cependant, pour tous les revêtements de zinc, leur durée de vie est directement proportionnelle à leur épaisseur (figure 1). Ainsi, si la vitesse générale de corrosion atmosphérique de l’environnement ou, mieux la vitesse exacte de corrosion atmosphérique du

C 2 505v2 – 2

1.1 Galvanisation à chaud au trempé La galvanisation à chaud au trempé correspond à l’application d’un revêtement de zinc par immersion d’acier, préalablement préparé, dans un bain de zinc en fusion, à 450 °C. Cela conduit à la formation de couches d’alliages entre l’acier de base et la couche externe de zinc. Ce procédé produit des revêtements dont l’épaisseur est couramment comprise entre 45 µm et 250 µm. Les normes NF EN ISO 1461 et NF EN ISO 14713 précisent les propriétés et caractéristiques de revêtement de galvanisation et les précautions à prendre pour la conception des pièces. La galvanisation à chaud après fabrication étant le procédé utilisé pour la protection des structures de bâtiment, il est détaillé de manière plus approfondie au § 2. Par ailleurs, les petites pièces telles que les boulons, écrous et bracelets, galvanisés à chaud après fabrication, sont habituellement traités par lots dans des paniers ou tambours. Ils sont généralement secoués ou centrifugés à l’émersion du bain de zinc, afin d’enlever les excès de zinc.


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__________________________________________________

PROTECTION ANTICORROSION PAR GALVANISATION À CHAUD DES STRUCTURES MÉTALLIQUES

e i v e d e é r u D

Galvanisation à chaud après fabrication et métallisation jusqu’à 250 µm

Galvanisation à chaud

Ｓ

Galvanisation en continu Shérardisation Métallisation Zingage électrolytique Matoplastie 0

25

50

75

100

125 Épaisseur du revêtement (en µm)

Figure 1 – Relation entre la durée de vie et l’épaisseur des revêtements de zinc. La durée de vie du revêtement est proportionnelle à son épaisseur

1.3 Shérardisation

Cela donne des revêtements plus minces, avec une meilleure précision des recouvrements ; importante, en particulier, pour les pièces filetées pour lesquelles une épaisseur de revêtement d’au moins 40 µm est recherchée. La galvanisation à chaud des éléments de fixation filetés est spécifiée dans les normes françaises et internationales, en particulier la norme NF EN ISO 10684.

La shérardisation est un procédé de diffusion dans lequel, après dégraissage et décapage, de petites pièces sont secouées dans un mélange de poudre de zinc et de silice et/ou carborundum, dans un caisson fermé en rotation et à une température comprise entre 380 °C et 400 °C. Du fait de la diffusion, il en résulte la formation de couches d’alliages fer-zinc à la surface du matériau. Les épaisseurs de revêtement dépendent de la température et de la durée du traitement. Le revêtement de zinc ainsi obtenu est généralement plus mince que celui de la galvanisation à chaud et il ne comporte pas de couche de zinc pur. Il est très résistant à l’usure. Les revêtements peuvent être spécifiés avec une épaisseur de 15 µm, 30 µm ou 45 µm.

1.2 Galvanisation à chaud en continu L’une des variantes de la galvanisation à chaud au trempé est la galvanisation en continu (procédé « sendzimir » du nom de son inventeur, Tadeusz Sendzimir). Cette technique permet la galvanisation de tôles, tubes, tiges ou fils d’acier. Dans ce procédé, les éléments à traiter passent en continu au travers de bains de préparation de surface, puis du bain de galvanisation. L’épaisseur du revêtement de zinc est contrôlée. En ce qui concerne les tôles et les tubes, selon l’application, différentes épaisseurs de revêtement peuvent être obtenues. L’une des spécifications les plus communes est un revêtement de 275 g/m2 double face.

1.4 Projection thermique de zinc (ou métallisation) Dans le procédé de projection thermique, on fait fondre du fil ou de la poudre de zinc au moyen d’une flamme ou d’un arc électrique, en utilisant un gaz sous pression. On projette ensuite ce zinc sur la surface des pièces en fer ou en acier, grenaillées au préalable. Le revêtement est ainsi lié mécaniquement au substrat de base. L’adhérence du revêtement est très sensible à la contamination de la surface. Bien que des revêtements épais puissent être obtenus (25 à 250 µm), la consistance du revêtement est dépendante du talent de l’opérateur et de la géométrie de la pièce à revêtir. Comme les revêtements de métallisation sont poreux, il est recommandé de leur appliquer un colmatage dès qu’ils sont refroidis.

Remarque Cependant, il faut noter qu’au contraire de la galvanisation à chaud après fabrication, cela représente le total du poids du revêtement (ce qui inclut les deux faces de la tôle). Cela signifie donc que le revêtement ne mesure que 20 µm sur chaque face.

En ce qui concerne les fils, selon leur diamètre, on peut obtenir des épaisseurs de revêtements de 2 µm à 42 µm.

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C 2 505v2 – 3


PROTECTION ANTICORROSION PAR GALVANISATION À CHAUD DES STRUCTURES MÉTALLIQUES __________________________________________________

Tableau 1 – Revêtements anticorrosion à base de zinc et normes associées Revêtement de zinc

Titres

NF EN ISO 1461

Revêtements par galvanisation à chaud sur produits finis ferreux

NF EN ISO 14713

Protection contre la corrosion du fer et de l’acier dans les constructions – Revêtements de zinc et d’aluminium – Lignes directrices

E 25-032

Éléments de fixation – Revêtements (et traitements de surface) destinés à la protection contre la corrosion – Présentation comparative

NF EN ISO 10684

Éléments de fixation – Revêtements de galvanisation à chaud, décembre 2004

NF EN 10240

Revêtements intérieur et/ou extérieur des tubes en acier – Spécifications pour revêtements de galvanisation à chaud sur des lignes automatiques

NF EN 10346

Produits plats en acier revêtus en continu par immersion à chaud pour formage à froid – Conditions techniques de livraison

NF EN 10143

Tôles et bandes en acier revêtues en continu par immersion à chaud – Tolérances sur les dimensions et sur la forme

Galvanisation de fils

NF EN 10244 Partie 2

Fils et Produits tréfilés en acier – Revêtements métalliques non ferreux sur fils d’acier – Partie 2 : Revêtements de zinc ou d’alliages de zinc

Shérardisation

NF EN ISO 17668

Revêtements par diffusion de zinc sur les produits ferreux – Shérardisation – Spécifications

Métallisation

NF EN ISO 2063

Projection thermique – Revêtements métalliques et inorganiques – Zinc, aluminium et alliages de ces métaux

ISO 5002

Tôles en acier au carbone laminées à chaud et à froid, revêtues par zingage électrolytique (tôles électro-zinguées) de qualité commerciale et pour emboutissage

NF EN 10152

Produits plats en acier, laminés à froid, revêtus de zinc par voie électrolytique pour formage à froid – Conditions techniques de livraison

NF EN ISO 12683

Dépôts de zinc par voie mécanique (matoplastie) – Spécifications et méthodes de contrôle

Galvanisation à chaud après fabrication

Éléments de fixation

Tubes en acier

Ｓ

Normes

Galvanisation en continu de tôles

Zingage électrolytique

Matoplastie

1.5 Zingage électrolytique (ou électrozingage)

Ce procédé génère un revêtement quasi uniforme. Les revêtements peuvent être spécifiés, avec des épaisseurs comprises entre 6 et 107 µm, avec ou sans traitement additionnel.

Dans le procédé de zingage électrolytique, un revêtement de zinc est précipité, au moyen d’un courant direct, sur la surface d’une pièce soigneusement préparée. L’épaisseur du revêtement de zinc est généralement comprise entre 5 µm et 25 µm. Ce procédé est utilisé pour des pièces relativement petites et produites en grande série, telles que vis, boulons, crochets, etc. Des tôles et des fils d’acier peuvent également être électrozingués en continu. Dans ce cas, l’épaisseur du revêtement de zinc est comprise entre 2,5 et 7,5 µm. Les revêtements de zinc appliqués électrolytiquement reçoivent souvent une passivation pour améliorer la protection anticorrosion.

1.7 Bilan des différents procédés de galvanisation Le tableau 1 reprend les différents revêtements anticorrosion à base de zinc avec les normes correspondantes. Les normes étant régulièrement révisées ou modifiées, il est recommandé de référencer leurs versions les plus récentes dans les cahiers des charges.

2. Galvanisation à chaud au trempé – Généralités

1.6 Zingage par matoplastie (parfois appelé « galvanisation mécanique »)

2.1 Intérêts de la galvanisation

Dans le procédé de matoplastie, la pièce à revêtir est tout d’abord préparée, puis mise en rotation dans un caisson avec de la poudre de zinc, des billes de verre, de l’eau et des produits chimiques. Les billes de verre projettent le zinc par leurs impacts sur la surface de la pièce, du fait du mouvement de rotation du caisson.

C 2 505v2 – 4

Les pièces sont intégralement protégées Une pièce galvanisée à chaud conformément à la norme ISO 1461 est totalement protégée, à l’extérieur comme à l’intérieur (surfaces, tranches, perçages, soudures…), ainsi que dans les ■


ＹＶ


__________________________________________________

PROTECTION ANTICORROSION PAR GALVANISATION À CHAUD DES STRUCTURES MÉTALLIQUES

Tableau 2 – Attaque par corrosion maximale pour des durées d’exposition prolongées dans les différentes classes de corrosivité – Métaux : acier et zinc (extraits des normes ISO 9223 et 9224) Catégorie de corrosivité

C1 (très faible)

C2 (faible)

C3 (moyenne)

C4 (élevée)

C5 (très élevée)

CX (extrême)

Perte totale en microns (µm) en fonction de la durée d’exposition Métal

Exemples d’environnements types (à titre d’information)

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2

5

10

15

20

Acier au carbone

1,3

1,9

3,0

4,3

5,4

6,2

Zinc

0,1

0,2

0,4

0,6

0,9

1,1

Acier au carbone

25

36

58

83

103

120

Zinc

0,7

1,2

2,6

4,5

6,3

8,0

Acier au carbone

50

72

116

167

206

240

Zinc

2,1

3,7

7,8

13,6

19,0

24,0

Acier au carbone

80

115

186

267

330

383

Zinc

4,2

7,4

15,5

27,3

38,0

48,0

Acier au carbone

200

287

464

667

824

958

Zinc

8,4

14,3

31,1

54,6

75,9

95,9

Acier au carbone

700

1 006

1 624

2 334

2 885

3 354

Zinc

25

44

93

162

226

286

Intérieur Espaces chauffés à faible taux d’humidité et de pollution, par exemple bureaux, écoles, magasins…

Extérieur – –

Espaces non chauffés avec risque de condensation (entrepôts, gymnases…)

Zones rurales à l’intérieur des terres

Humidité élevée et pollution de l’air faible (usines agroalimentaires, blanchisseries, brasseries…)

Environnements industriels et urbains à l’intérieur des terres ou côtiers doux

Espaces à forte humidité et/ou pollution de l’air élevée (usines de traitement industriel, piscines…)

Environnements industriels à l’intérieur des terres ou côtier moyennement salin

Espaces à condensation fréquente et/ou pollution élevée (non ventilés)

Environnements très humides ou côtiers très salins, et/ou très pollués

Espaces à condensation permanente ou humidité extrême (non ventilé)

Contact occasionnel avec eau de mer, brouillard salin et/ou pollution extrême

• Les classes de corrosivité sont déterminées dans l’ISO 9223. • Les valeurs d’attaque par corrosion en micromètres selon les classes de corrosivité de l’ISO 9223 sont données dans l’ISO 9224. endroits les plus inaccessibles (réservoirs, corps creux, tubulaires…), et cela grâce à la technique d’immersion dans un bain de zinc liquide.

• D’autre part, en cas de blessure ou de discontinuité du revêtement, le zinc offre une protection supplémentaire à l’acier : la protection cathodique. Lorsque l’acier nu est exposé à l’humidité, comme c’est le cas par exemple sur les tranches découpées ou sur une griffure dans le revêtement, l’acier est toujours protégé par le zinc en bordure de l’acier exposé. On appelle cela la protection sacrificielle, le zinc se « sacrifiant » pour protéger l’acier.

Le revêtement de zinc se corrode très lentement Un produit fini galvanisé présente de très faibles pertes de zinc dans le temps qui s’expriment en µm/an. Cette particularité permet au zinc de former une barrière efficace entre l’acier et les agents agressifs des différents environnements (tableau 2). ■

La durée de vie de la galvanisation peut atteindre 50 ans, voire plus, selon les environnements. La durée de vie du revêtement, avant premier entretien, peut être estimée en fonction de son épaisseur et de la catégorie d’environnement où la pièce galvanisée sera mise en service (figure 2). ■

Le zinc apporte à l’acier une double protection : protection écran et protection sacrificielle en cas de blessure • D’une part, le zinc procure une protection écran, imperméable et continue, qui empêche l’humidité d’entrer en contact avec l’acier car, sans contact direct avec l’humidité, il n’y a pas de corrosion. Cependant, le revêtement de zinc se corrodant également au contact de l’eau et des polluants atmosphériques (mais beaucoup plus lentement que l’acier), la protection écran est proportionnelle à l’épaisseur du revêtement. ■

Le revêtement de galvanisation bénéficie de propriétés mécaniques remarquables. La surface d’une pièce en acier galvanisée selon la norme NF EN ISO 1461 est constituée de plusieurs couches intermétalliques (alliages fer-zinc), plus dures que l’acier, ce qui lui confère une très grande résistance à l’abrasion et une bonne, voire excellente adhérence, selon le type d’acier. ■


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Protection anticorrosion des aciers par thermolaquage par Marc LAPOINTE Président d’honneur Association française des technologies de l’acier peint (AFTAP)

FILIÈRE PEINTURE ANTICORROSION ACQPA – GEPI – Groupement Anticorrosion du SIPEV – OHGPI et

GALVAZINC

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Association pour le Développement de la Galvanisation à Chaud – ISO 1461

1.

Thermolaquage ...........................................................................................

C 2 508 - 2

Différentes poudres thermodurcissables ................................................. 2.1 Peintures poudre époxy ............................................................................. 2.2 Peintures poudre époxy-polyester ............................................................ 2.3 Peintures poudre polyester (industrie, haute durabilité et qualité architecturale)............................................................................. 2.4 Peintures poudre polyuréthane.................................................................

— — —

2 4 4

— —

4 4

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Différents supports ..................................................................................... Acier noir ..................................................................................................... Acier revêtu d’un primaire sans zinc ou riche en zinc (PPRZ)................. Acier revêtu d’une cataphorèse................................................................. Acier électrozingué ..................................................................................... Acier métallisé............................................................................................. Acier galvanisé au trempé (galvanisation de produits finis)................... Acier galvanisé en continu (procédé Sendzimir)......................................

— — — — — — — —

4 4 5 5 5 5 5 5

4.

Quelques règles de conception .................................................................

—

5

Traitements de surface............................................................................... 5.1 Surfaces en acier non revêtues.................................................................. 5.2 Surfaces revêtues........................................................................................

— — —

5 6 7

6.

Application de la peinture en poudre thermodurcissable ......................

—

8

7.

Cuisson de la peinture en poudre thermodurcissable ............................

—

9

Qualité et contrôles .................................................................................... 8.1 Qualité.......................................................................................................... 8.2 Contrôles......................................................................................................

— — —

10 10 10

9.

Exemples de singularités selon la norme NF EN ISO 12 944-3...............

—

10

10.

Conclusion...................................................................................................

—

11

11.

Glossaire ......................................................................................................

—

13

2.

3.

5.

8.

Pour en savoir plus ..............................................................................................

Doc. C 2 508

a peinture en poudre thermodurcissable protège les ouvrages tout en les valorisant par la couleur. Ces systèmes de peinture sont essentiels à la protection des ouvrages et sont partie intégrante des constructions dès leur conception. ＷＱＰＲｴ･ｬｬｩｵｪＺｮｯｩｴｵｲ｡ｐ


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C 2 508 – 1


PROTECTION ANTICORROSION DES ACIERS PAR THERMOLAQUAGE __________________________________________________________________________

Ｓ

L’application et les préparations obligatoirement réalisées en atelier permettent une maîtrise optimisée des paramètres des procédés, des coûts et le respect des hommes et de la nature. La peinture, dite industrielle, est la touche finale des produits manufacturés et le premier contact visuel et tactile des produits de toutes sortes. Les fonctions des peintures sont la protection, l’isolation et l’esthétique. L’acier non protégé, exposé à l’air, immergé ou enterré, est soumis à la corrosion qui peut conduire à son endommagement. De ce fait, les structures en acier sont normalement protégées pour résister aux contraintes de corrosion pendant la durée de vie requise pour la structure. Il existe différentes façons de protéger les structures en acier contre la corrosion. Les principales sont la galvanisation [C2502], les systèmes de peinture liquide [C2509] et le thermolaquage. Le présent article traite du thermolaquage, c’est-à-dire de la protection à l’aide de systèmes de peinture en poudre thermodurcissable, en mettant en évidence tous les facteurs importants permettant de réaliser une protection adéquate contre la corrosion.

1. Thermolaquage

2. Différentes poudres thermodurcissables

Le thermolaquage, aussi appelé « projection électrostatique » ou encore « poudrage électrostatique », se fait à l’aide d’un pistolet électrostatique (figure 1). La peinture se présente sous la forme d’une poudre très fine (figure 2) qui est chargée positivement par un champ électrique. La pièce à peindre, conductrice, porte une charge opposée, négative, la poudre, attirée par la force de Coulomb, adhère ainsi provisoirement sur la pièce. Puis la pièce passe dans un four, ce qui permet la fusion et la polymérisation de la poudre thermodurcissable.

Les poudres thermodurcissables sont disponibles dans une vaste gamme de couleurs (figure 3). Les types génériques de peinture énumérés ci-après sont couramment utilisés dans les systèmes de peinture pour la protection contre la corrosion des structures en acier brut ou revêtu. Ils sont synthétisés dans le tableau 1.

Figure 1 – Thermolaquage d’une poutre en treillis

C 2 508 – 2


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__________________________________________________________________________

PROTECTION ANTICORROSION DES ACIERS PAR THERMOLAQUAGE

Ｓ Figure 3 – Exemple de palette de couleurs de peinture en poudre

Figure 2 – Exemple de poudres utilisées

Tableau 1 – Types de systèmes de peinture Familles

Destinations

Exemples d’utilisation

Avantages

Aspects disponibles

Époxy pur

Revêtement fonctionnel de pièces (principalement en primaire)

• Pièces automobile, • Citernes, • Vannes, • Isolation électrique, • Primaire anticorrosion.

• Excellentes performances mécaniques, • Résistance élevée à la corrosion et aux produits chimiques.

• Lisse, • Texturé.

Époxy / Polyester

Protection et décoration en intérieur et primaire anticorrosion

• Mobilier métallique, • Rayonnage, • Luminaire d’intérieur, • Électroménager, • Convecteurs, • Équipement industriel.

• Bonne tenue dans le temps en intérieur, • Diversité des aspects.

• Lisse, • Texturé, • Grainé, • Martelé, • Finition brillante, satinée, mate, métallisée ou non.

Polyester industrie

Protection et décoration de pièces industrielles en extérieur.

• Engins agricoles et de TP, • Outillage, • Luminaire d’extérieur, • Automobile, • Cycle, • Petit électroménager, • Clôture.

• Excellentes performances mécaniques, • Bonne résistance aux intempéries.

• Lisse, • Texturé, • Grainé, • Finition brillante, • Satinée, • Mate, • Métallisée ou non.

Polyester industrie haute durabilité

Protection et décoration de pièces industrielles en extérieur.

Machinisme agricole.

Excellente résistance aux UV, et aux intempéries : 5 ans Floride.

• Lisse, • Brillant, • Satiné, • Mate, • Métallisé ou non

Polyester architectural (bâtiment)

Décoration et protection haute performance pour l’architecture extérieure.

• Huisserie métalliques, • Façades métalliques, • Véranda, • Mobilier extérieur.

• Excellente durabilité en atmosphère extérieure, • Possibilité de garantie jusqu’à 10 ans. Agréments Qualicoat classe1 et GSB et Qualisteelcoat.

• Lisse, • Moucheté, • Texturé, • Métallisé ou non, • Satinée, • Mat.


ＱＰＱ

C 2 508 – 3


PROTECTION ANTICORROSION DES ACIERS PAR THERMOLAQUAGE __________________________________________________________________________

Tableau 1 – Types de systèmes de peinture (Suite) Familles

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Destinations

Exemples d’utilisation

Avantages

Aspects disponibles

Polyester haute durabilité


• Huisserie métalliques, • Façades métalliques, • Véranda, • Mobilier extérieur.

• Excellente résistance aux UV et aux intempéries : 5 ans Floride, • Possibilité de garantie jusqu’à 15 ans. Agréments Qualicoatéclasse2 et GSB.

• Lisse, • Moucheté, • Texturé, • Métallisé ou non, • Satinée, • Mat.

Polyester hyper durable


• Huisserie métalliques, • Façades métalliques.

• Résistance aux UV exceptionnelle, • Agréments Qualicoat classe3 et GSB Premium.

Mat.

Polyuréthane

Protection contre les graffiti. Excellente résistance aux produits chimiques

• Mobilier urbain, • Mobilier de collectivité, • Matériel ferroviaire, • Pièces techniques.

• Grande résistance à la pénétration des graffiti, • Haute durabilité du film, • Très bonne tenue aux UV et aux intempéries.

• Vernis, • Lisse, • Brillant.

2.1 Peintures poudre époxy Les peintures poudre époxy sont des revêtements en poudre thermodurcissable à base de résine époxy, d’aspect lisse, texturé. Ces revêtements possèdent d’excellentes performances mécaniques et chimiques et une bonne résistance à la corrosion. Ils sont généralement utilisés comme primaire.

2.2 Peintures poudre époxy-polyester Les peintures en poudre époxy-polyester sont destinées à la décoration intérieure. Elles sont à base de résines polyester et époxy. Les peintures époxy-polyester constituent un compromis technique entre les peintures époxy pur, aux bonnes propriétés anticorrosion et de faible résistance aux UV, et les peintures polyester présentant une très bonne résistance aux UV et aux intempéries. Elles sont utilisées pour la protection anticorrosion (primaire) de pièces ou de produits finis qui ne sont pas soumis à l’exposition extérieure.

Structuré

Figure 4 – Exemples d’aspects de peinture en poudre polyester

Et différentes brillances mesurées sous un angle de 60° (NF EN ISO 2813 : 2014 ) – brillant : 71 – 100 ± 10 ; – satiné : 31 – 70 ± 7 ; – mat : 0 – 30 ± 5.

2.3 Peintures poudre polyester (industrie, haute durabilité et qualité architecturale)

2.4 Peintures poudre polyuréthane Les peintures en poudre polyuréthane à base de résines polyester hydroxylées, plus durcisseur spécifique, présentent d’excellentes résistances aux UV et aux intempéries, ainsi que des performances importantes en tenue aux produits chimiques.

Les peintures en poudre polyester sont conçues à base de résines polyester carboxylée. Les peintures polyesters présentent d’excellentes résistances aux UV et aux intempéries par l’utilisation de résines et de pigments sélectionnés. Des niveaux différents de grade permettent d’obtenir, pour la couleur et la brillance, des tenues dans le temps de plus en plus élevées. Il existe différents aspects (voir exemples figure 4) : – lisse ; – structuré ; – texturé ; – etc.

C 2 508 – 4

Lisse

3. Différents supports 3.1 Acier noir L’acier noir est un acier laminé à chaud ou un acier laminé à froid décapé huilé. Avant de le peindre, il doit être décapé par projection d’abrasif ou préparé chimiquement.


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3.2 Acier revêtu d’un primaire sans zinc ou riche en zinc (PPRZ)

PROTECTION ANTICORROSION DES ACIERS PAR THERMOLAQUAGE

Il convient de réaliser de préférence les joints par soudage, et non par boulonnage ou rivetage, afin d’obtenir une surface globalement plus régulière.

Les primaires sont formulés à base de résine époxydique et sont destinés à être recouverts d’une couche de finition. Un primaire riche en zinc (PPRZ) est une peinture en poudre anticorrosion, destiné à être recouvert d’une couche de finition. Ce primaire amène un effet barrière et optimise le couple effet cathodique / effet barrière, par l’adjonction de zinc métal. L’application du primaire doit être effectuée sur une pièce décapée avec un degré de soin D s 2,5 minimum et avec la rugosité prescrite par le fournisseur (voir figures 2 et 3 et § 4.6 de l’article [C2509]).

Les dispo sitions con structives so nt basées sur la partie 3 : et dispositions constructives de la norme NF EN ISO 12 944 « Anticorrosion des structures en acier par systèmes de peinture ». La conception génér ale de l’ouvrage/ pièce à peindre et l’état initial des métaux utilisés, doivent à la fois faciliter : – la préparation de surface ; – la mise en peinture ; – le contrôle ; – l’entretien ultérieur de la pièce. Conception

3.3 Acier revêtu d’une cataphorèse

L’objectif est d’aboutir, à travers une conception réfléchie, à un système de peinture adapté et un entretien régulier conformes à la durabilité escomptée de l’ouvrage (durée de vie).

Les surfaces revêtues d’un primaire cataphorèse se composent : – d’acier préalablement traité chimiquement (phosphatation ou traitement alternatif) ; – d’un primaire liquide époxy ou acrylique ayant été déposé par électrophorèse et ensuite polymérisé dans un four. L’application par cataphorèse nécessite la réalisation d’évents sur la pièce facilitant la circulation du liquide à l’intérieur des parties creuses.

L’état de surface du métal utilisé pour la fabrication d’une pièce joue un rôle fondamental sur l’esthétique et la durabilité du thermolaquage : marques et défauts de performance. Le métal utilisé doit donc être exempt : – de corrosion ; – d’irrégularités superficielles (copeaux, déformations, écailles de laminage, défauts de meulage…) ; – de traces de marquage/appair age (feutres, stylos peinture, adhésifs). Au § 9, il est donné des exemples de : – dispositions permettant d’éviter la rétention d’eau et de salissures ; – conception des soudures ; – traitement des interstices ; – manière d’éviter des arêtes vives ; – méthodes pour éviter les imperfections superficielles des soudures ; – conception recommandée pour les raidisseurs, etc.

3.4 Acier électrozingué Les surfaces électrozinguées se composent d’acier revêtu de zinc déposé par électrolyse.

3.5 Acier métallisé La métallisation consiste à projeter, sur la surface de l’acier, un métal (zinc, aluminium ou alliage zinc/aluminium) présenté sous forme de fil à l’aide d’un pistolet à flammes ou à arc électrique. L’application du revêtement anticorrosion par métallisation nécessite une préparation de surface avec un degré de soin D s 3 réalisée par grenaillage (voir figures 2 et 3 de l’article [C2509], § 4.1 et 4.4).

5. Traitements de surface

3.6 Acier galvanisé au trempé (galvanisation de produits finis)

La préparation de surface (figure 5) a pour objectif principal l’élimination de matières néfastes à l’obtention d’une surface favorisant une adhérence satisfaisante de peinture en poudre sur acier ou acier revêtu. Cette préparation contribue également à réduire la quantité de contaminants à l’origine de la corrosion.

La galvanisation de produits finis est un procédé qui consiste à immerger une pièce en acier dans un bain de zinc fondu (voir l’article [COR380] sur la galvanisation).

3.7 Acier galvanisé en continu (procédé Sendzimir) Surfaces galvanisées à chaud en continu permettant d’obtenir des épaisseurs faibles et constantes.

Lors du choix d’une méthode de préparation de surface, il est nécessaire de tenir compte du degré de préparation requis pour garantir à cette surface une propreté et, si nécessaire, un profil de surface (rugosité) adaptés au système de revêtement à appliquer.

4. Quelques règles de conception

Le coût de la préparation de surface étant généralement proportionnel au degré de propreté, il convient de choisir un degré de préparation adapté à la fonction et au type de système de revêtement, ou un système de revêtement adapté au degré de préparation qui peut être obtenu. Le paragraphe 4 de l’article [C2509] donne de nombreuses informations sur ce sujet.

Il convient que les surfaces des structures en acier exposées à la corrosion soient aussi réduites que possible et que la structure présente le minimum d’irrégularités comme, par exemple, des recouvrements, des angles, des arêtes vives (voir § 9).

Tous les travaux de préparation des surfaces doivent faire l’objet d’une surveillance et d’un contrôle adéquats.


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C 2 508 – 5

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ＱＰＴ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･ｉｮｴ･ｲｮ･ｴｃＲＵＰＹ

Protection anticorrosion des aciers par systèmes de peinture liquide par FILIÈRE PEINTURE ANTICORROSION ACQPA – GEPI – Groupement Anticorrosion du SIPEV – OHGPI

GALVAZINC Association pour le Développement de la Galvanisation à Chaud – ISO 1461 et

Marc LAPOINTE Président d’honneur Association française des technologies de l’acier peint (AFTAP)

......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....... ....... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 1. Divers ra rappels...... 1.1 1.1 Dura Durabi bili lité té .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.2 1.2 Hygiè ygiène ne,, séc sécurit uritéé et prot protec ecti tion on de l’en l’envi viro ronn nnem emen ent.. t.... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

C 2 509 - 3 — 3 — 3

2. Descri Descripti ption on de de l’ouvr l’ouvrage age et et natur nature e du subj subject ectile ile..................................... 2.1 2.1 Desc Descri ript ptio ion n de l’ou l’ouvr vrag agee .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 2.2 2.2 Disp Dispos osit itio ions ns cons constr truc ucti tive vess .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.3 2.3 Natu Nature re du subj subjec ecti tile. le... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

— — — —

3 3 3 4

....................... 3. Clas Classi sifi fica cati tion on des des envir environ onne neme ment nts s ....................................... 3.1 3.1 Ouvr Ouvrag ages es aéri aérien ens, s, revê revête teme ment ntss en cont contac actt avec avec l’ai l’airr .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 3.2 3.2 Struc tructu ture ress imm immergé ergées es,, ouv ouvra rage gess ente enterr rrés... és..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 3.3 3.3 Les Les inté intéri rieu eurs rs de capa capaci cité. té... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

— — — —

4 4 5 5

...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Prép Prépar arat atio ions ns de surf surfac ace e.... Proje ojectio tion d’ d’abras rasif : prépar paration de de su surface pri prim maire (t (totale) ............... Décap écapag agee à l’ea l’eau u sous sous pre press ssio ion n .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Autr Autres es prép prépar arat atio ions ns de surf surfac ace. e... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Norm Normee ISO ISO 8501 8501-1. -1... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Prép Prépar arat atio ion n de surf surfac acee seco second ndai aire. re... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Rugo Rugosi sité.. té.... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

— — — — — — —

5 5 6 6 6 8 8

...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Syst ystèmes èmes de pei pein ntur ture.... Défi Défini niti tion on du syst systèm èmee de pein peintu ture re .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Desc Descri ript ptio ion n d’un d’un syst systèm èmee de pein peintu ture re .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Épai Épaiss sseu eurs rs d’un d’un syst systèm èmee de pein peintu ture re .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Aspe Aspect ctss envi enviro ronn nnem emen enta taux ux .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Norm Normes es rela relati tive vess aux aux syst systèm èmes es de de pein peintu ture... re..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

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9 11 11 13 13 13

...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 6. Cond Condit itio ions ns d’ap d’appl plic icat atio ion n .... 6.1 6.1 Cond Condit itio ions ns d’ap d’appl plic icat atio ion. n... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 6.2 6.2 Mode Modess d’ap d’appl plic icat atio ion n des des pein peintu ture ress .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 6.3 Conditions Conditions de séchage séchage des principa principaux ux types types de peinture peinture (NF (NF EN ISO ISO 12 944944-5) 5) .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

— — —

15 15 16

—

16

...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 7. Garanties .... 7.1 7.1 Gara Garant ntie ie anti antico corr rros osio ion.. n.... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 7.2 7.2 Gara Garant ntie ie d’as d’aspe pect... ct..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 7.3 7.3 Clic Cliché héss d’en d’enro roui uill llem emen ent.. t.... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

— — — —

17 17 17 17

8.

Exempl Exemples es de sing singula ularit rités és selon selon la la norme norme NF NF EN ISO ISO 12 12 944-3 944-3...............

—

18

9.

...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. Conclusion ....

—

20

10. 10.

...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..... ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Gloss lossai aire re....

—

22

4.

4 .1 4.2 4.2 4.3 4.3 4.4 4.4 4.5 4.5 4.6 4.6 5.

5.1 5.1 5.2 5.2 5.3 5.3 5.4 5.4 5.5 5.5

.................. ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............. ............. ............ ............ ......... ... Pour en savoir plus ............ ＷＱＰＲｴ･ｬｬｩｵｪＺｮｯｩｴｵｲ｡ｐ

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ＱＰＵ

Doc. C 2 509

C 2 509 – 1


PROTECTION ANTICORROSION DES ACIERS PAR SYSTÈMES DE PEINTURE LIQUIDE

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_______________________ ___________ _________________________ _________________________ ________________________ ______________

es constructions en acier présentent de nombreux avantages par rapport aux solutions béton : – créa créati tivi vité té ; – rapidité rapidité de de montage montage et et d’installa d’installation tion ; – surve surveill illanc ance e aisé aisée e ; – modifi modifica catio tions ns facil faciles es ; – main mainte tena nanc nce e ; – entretie entretien n ou réfection réfection totale totale maîtri maîtrisée sée.. Elles ont cependant un inconvénient : l’acier rouille (du moins l’acier dit « au carbone » car cet article articl e ne concerne pas l’acier inoxydable). ino xydable). En E n d’autres termes, l’acier subit en surface une oxydation au contact de son environnement. Lorsqu’il y a défaillance, il en résulte une image désastreuse pour la filière « métal + peinture », car le défaut est très visible. Il se traduit par : – de la rou rouil ille le ; – des traî traînée nées s de rouil rouille le ; – du cloq cloqua uage ge ; – de l’écai l’écaillage llage ou de la décolor décoloration ation.. Il est donc nécessaire nécessaire de prévoir la protection anticorrosion d’un ouvrage dès sa conception. Les systèmes de peintures liquides sont une des solutions possibles pour protéger de la corrosion les structures en acier, et cela quel que soit le type d’acier. Pour que cette protection soit efficace il est nécessaire que les maîtres d’ouvrage, les maîtres d’œuvre, les consultants, les entreprises qui effectuent les travaux de protection contre la corrosion, les contrôleurs des revêtements de protection et les fabricants de produits, disposent d’informations aussi com- plètes que possible, claires et sans ambiguïtés, pour éviter difficultés et malentendus entre les parties concernées par la réalisation pratique des travaux de protection. En effet, le choix et la mise en œuvre de systèmes de peinture anticorrosion ne se font pas en fonction des règles d’un processus industriel répétitif connu et maîtrisé, comme la galvanisation [COR380] ou le thermolaquage [C2508], mais en fonction des réponses spécifiques apportées à un certain nombre de points parfaitement identifiés : – la description description et la conception conception de l’ouvrage, ainsi ainsi que la nature du subjec- subjec- tile à traiter ; – l’environnem l’environnement ent et la description description des agressions agressions que subira le revêtemen revêtementt ; – la prépa prépara ratio tion n de surfac surface e ; – les conditions conditions d’applica d’application tion ; – la nature et la description du système système de revêtement revêtement par peinture peinture ou duplex (galvanisation/peinture). (galvanisation/peinture). Cet article a pour vocation d’être un guide technique, le plus pratique et le plus clair possible, mettant en exergue les bonnes questions et rassemblant, pour y répondre convenablement, les informations les plus courantes, pratiques, fondamentales ou essentielles, que l’on retrouve en détail dans les très nombreuses normes auxquelles il se réfère. Le domaine d’application couvre tous travaux de protection des aciers faiblement alliés, fers et fontes, par revêtement de peinture liquide. Il concerne prioritairement les fonctions de protection anticorrosion et d’aspect du système de peinture. Cet article est établi en l’état des techniques connues à ce jour. Il ne prend pas en compte la révision en cours de la norme ISO 12 944 « Anticorrosion des structures en acier par système de peinture ».

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1. Divers rappels

La forme d’une structure influe sur sa prédisposition à la corrosion. Dans le cadre d’ouvrages neufs, il convient par conséquent de concevoir les structures de sorte que la corrosion ne puisse facilement se produire à un endroit donné (piège à corrosion) d’où elle peut s’étendre. ■

1.1 Durabilité La période pendant laquelle la protection assurée par les systèmes de peinture est efficace, est généralement plus courte que la durée de vie en service de la structure considérée. Elle peut toutefois atteindre plusieurs dizaines d’années suivant la corrosivité ambiante et la nature des systèmes mis en œuvre. La norme ISO 12944 « Anticorrosion des structures en acier par systèmes de peinture » précise que la durabilité est une notion technique qui peut aider le maître d’ouvrage à établir un programme d’entretien. Une attention appropriée doit être accordée, lors de la phase d’études et de conception, à la possibilité d’entretien ou de renouvellement de ces systèmes. Le niveau de défaillance du revêtement, avant la première application importante de peinture d’entretien, doit être convenu entre les parties intéressées et être évalué conformément à la norme ISO 4628-1. À ce jour, trois classes de durabilité sont fixées : – durabilité limitée (L) : 2 à 5 ans ; – durabilité moyenne (M) : 5 à 15 ans ; – durabilité haute (H) : supérieure à 15 ans. Le choix de la durabilité attendue est à prendre en compte dans la définition du système de peinture retenu et les conditions de mise en œuvre.

Lorsqu’il s’agit de travaux de maintenance, il est important d’identifier les contraintes propres aux ouvrages concernés, comme par exemple : – platelages ou caillebotis qui sont soumis à des usures particulières dues à la circulation ; – vis d’Archimède servant au relevage des eaux ; – intérieurs de certains tubes, conduites, gazoduc ; – installations de fabrication de coke à partir de houille, avec les abondantes vapeurs corrosives qui les entourent ; – cheminées métalliques industrielles soumises à de hautes températures ; – aciéries, hauts-fourneaux, laiteries, plates-formes offshore, navires ; – bacs de stockage, réservoirs, digesteurs, gazomètres ; – structures décontaminables de centrales nucléaires ; – etc. ■

Remarque

De même, il faut évaluer l’état d’enrouillement du subjectile avant travaux, car il conditionne la préparation de surface à adopter.

1.2 Hygiène, sécurité et protection de l’environnement

2.2 Dispositions constructives Une attention toute particulière doit être portée aux dispositions constructives qui favorisent les pièges à corrosion et nécessitent des précautions ou traitements particuliers lors de la préparation de surface. Les principaux points à surveiller lors de la conception d’ouvrages neufs sont : – l’assemblage, de préférence par soudage (soudures continues), plutôt que boulonnage ou rivetage ; – l’accessibilité pour l’application, le contrôle et l’entretien du système de peinture (accès aux ouvertures dans les caissons et les réservoirs, équipements nécessaires pour effectuer les travaux de maintenance) ; – le traitement des interstices : les vides étroits, les crevasses et les joints par recouvrement sont des points sensibles à la corrosion résultant de la rétention d’humidité et de salissures. Il convient d’éviter ce type de corrosion en procédant à un colmatage ; – les rétentions d’eau et dépôts : éviter les configurations de surface dans lesquelles l’eau peut être emprisonnée et ainsi, en présence de substances étrangères, accroître le risque de corrosion ; – les arêtes : arrondir les arêtes est souhaitable afin de pouvoir appliquer uniformément le revêtement protecteur et obtenir une épaisseur de revêtement adéquate sur les arêtes vives. Il convient d’arrondir ou de chanfreiner toutes les arrêtes vives résultant du processus de fabrication ; – les assemblages par boulons : • assemblages par boulons à haute résistance à serrage contrôlé, • assemblages précontraints ; – les caissons et éléments creux : les caissons et éléments creux fermés doivent être imperméables à l’air et à l’humidité. Pendant l’assemblage de ces éléments, des précautions doivent être prises pour empêcher tout emprisonnement de l’eau ; – les raidisseurs : la conception des raidisseurs ne doit pas permettre la rétention de dépôts ou d’eau. La partie 3 de la norme NF EN ISO 12 944 traite des règles qui président à la conception des ouvrages. Elle est le document de référence. Quelques extraits de cette norme sont repris en fin d’article.

La filière peinture a accompli d’importants progrès pour respecter, et même devancer, les règlements et établir de bonnes pratiques : – pas de prescriptions ou d’utilisation de substances toxiques ou cancérigènes ; – augmentation des extraits secs (donc moins d’émissions de COV) ; – protection du corps y compris les yeux, la peau, l’ouïe et le système respiratoire ; – protection de l’eau et du sol au cours de la mise en œuvre de la protection contre la corrosion ; – mesures contre les effets nocifs des fumées, poussières, vapeurs et bruits, aussi bien que des risques d’incendie ; – mise en place de procédés stricts de récupération des déchets. Le processus de production de la peinture anticorrosion dans son ensemble, de la fabrication du produit jusqu’à sa mise en œuvre, respecte les réglementations HSE.

2. Description de l’ouvrage et nature du subjectile Lors du choix des solutions techniques à mettre en œuvre, la description de l’ouvrage et la nature du subjectile sont évidemment fondamentaux pour permettre le dialogue entre le fabricant de peinture et l’entreprise d’application, tant au niveau de la préparation de surface que du système de peinture.

2.1 Description de l’ouvrage La conception générale d’un ouvrage doit faciliter : – la préparation des subjectiles ; – la mise en peinture ; – le contrôle et l’entretien.


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2.3 Nature du subjectile

dépend de la corrosivité de cet environnement : de ≈ 0 à 0,2 mm d’épaisseur de métal par an selon les environnements courants en France. Sur le plan international, différentes professions ont décidé des normalisations variées des facteurs environnementaux. En ce qui concerne le domaine des professions de la protection des structures métalliques contre la corrosion, 19 pays européens ont décidé de mettre en application l’ensemble de la norme ISO 12 944.

La nature du subjectile à traiter fournit des informations sur les méthodes de préparation de surface nécessaires pour l’application des systèmes adaptés : – acier au carbone brut ; – primaire d’atelier ou acier prépeint ; – acier préalablement peint ; – acier métallisé à chaud avec du zinc, de l’aluminium ou leurs alliages ; – acier galvanisé à chaud.

3.1 Ouvrages aériens, revêtements en contact avec l’air

3. Classification des environnements Ｓ

Selon la partie 2 de la norme ISO 12 944, la corrosivité atmosphérique a été classée selon 5 catégories (voir tableau 1). ■

L’environnement a un fort impact sur l’évolution (vieillissement, dégradation) des structures et surfaces d’acier. Si l’acier n’est pas efficacement protégé, il se corrode à une vitesse qui

Remarques concernant cette classification

Beaucoup de chantiers font référence à des atmosphères rurales et indiquent une catégorie de corrosivité C2.

Tableau 1 – Catégories de corrosivité atmosphérique et exemples d’environnements types (ISO 12 944-2) Perte de masse par unité de surface/perte d’épaisseur (première année d’exposition) Catégories de corrosivité

C1 très faible

C2 faible

Acier faiblement allié

Zinc

Perte Perte Perte de masse d’épaisseur Perte de masse d’épaisseur (en g/m2) (en g/m2) (en µm) (en µm)

≤ 10

> 10 à 200

≤ 1,3

> 1,3 à 25

Exemples d’environnements types dans un climat tempéré (à titre d’information)

≤ 0,7

> 0,7 à 5

≤ 0,1

Extérieur

–

Intérieur Bâtiments chauffés à atmosphère propre, par exemple : – bureaux ; – magasins ; – écoles ; – hôtels.

> 0,1 à 0,7

Atmosphères avec un faible niveau de pollution. Surtout en zones rurales.

Bâtiments non chauffés où de la condensation peut se produire, par exemple entrepôts ou salles de sport. Enceintes de fabrication avec une humidité élevée et une certaine pollution de l’air, par exemple : – industrie alimentaire ; – blanchisseries ; – brasseries ; – laiteries.

C3 moyenne

> 200 à 400

> 25 à 50

> 5 à 15

> 0,7 à 2,1

Atmosphères urbaines et industrielles. Pollution modérée par le dioxyde de soufre. Zones côtières à faible salinité.

C4 élevée

> 400 à 650

> 50 à 80

> 15 à 30

> 2,1 à 4,2

Zones industrielles et zones côtières à salinité modérée.

– usines chimiques ; – piscines ; – chantiers navals côtiers.

> 650 à 1 500

> 80 à 200

> 30 à 60

> 4,2 à 8,4

Zones industrielles avec une humidité élevée et une atmosphère agressive.

Bâtiments ou zones avec une condensation permanente et une pollution élevée.

> 650 à 1 500

> 80 à 200

> 30 à 60

> 4,2 à 8,4

Zones côtières et maritimes à Bâtiments ou zones avec une condensation permanente et salinité élevée. une pollution élevée.

C5-I très

élevée (industrie) C5-M très

élevée (marine) NOTA

1 Les valeurs de perte utilisées pour les catégories de corrosivité sont identiques à celles indiquées dans l’ISO 9223. 2 Dans les zones côtières des régions chaudes et humides, les pertes de masse ou d’épaisseur peuvent dépasser les limites de la catégorie C5-M. Il faut donc prendre des précautions particulières pour le choix des systèmes de peinture pour protéger les structures en acier dans de telles zones.

C 2 509 – 4


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3.3 Les intérieurs de capacité

Cette indication n’est pas toujours adéquate. En effet, il a été constaté, depuis de nombreuses années, que certains ouvrages se trouvant très proches du niveau d’un plan d’eau ou d’un cours d’eau sont l’objet de corrosions rapides qui affectent particulièrement les zones condensantes. Il en est de même pour des ouvrages situés près de fonds de vallées ou environnés d’une végétation dominante et dense. De telles atmosphères, rurales humides, sont plutôt à classer en catégorie de corrosivité C3 (comme la plupart des atmosphères urbaines et industrielles). D’autres facteurs aggravants apparaissent comme systématiques.

Les intérieurs de capacité sont un cas particulier. Pour les revêtements en contact avec des liquides, solides ou gaz, l’identification de l’agression de corrosion est évidemment plus simple à définir puisqu’il suffit de décrire la nature, la température, la concentration, le pH, etc. du produit en contact et les conditions d’exploitation de l’ouvrage. Généralement, pour les produits courants tels l’eau ou le pétrole, on dispose de très nombreuses références et on connaît les performances des revêtements mis en œuvre.

Donnons-en un exemple dans le cas des installations portuaires.

4. Préparations de surface

L’atmosphère d’un port est généralement considérée comme étant à classer en catégorie de corrosivité C4, particulièrement lorsque les installations concernées ne sont pas directement exposées aux embruns.

La préparation de surface a pour objectif principal l’élimination de matières nocives et l’obtention d’une surface favorisant une adhérence satisfaisante de peinture primaire sur l’acier. Une expérience déjà ancienne a prouvé que le bon diagnostic de l’état de surface initial, puis le bon choix et la bonne exécution de la préparation de surface, étaient primordiaux dans l’efficacité et la durée de vie de la protection choisie. Les meilleures peintures peuvent donner de bien mauvais résultats lorsqu’elles sont appliquées sur un support sale, défectueux, mal préparé ou dans des conditions d’application défavorables. Le rôle de l’entrepreneur d’application est donc prépondérant. Un dialogue est nécessaire entre l’entrepreneur et le fabricant pour retenir les conditions de mise en œuvre les mieux adaptées aux paramètres à prendre en compte, tels que la nature de l’ouvrage, son environnement, les conditions d’application prévues ou possibles, le système de protection envisagé.

Un ouvrage au niveau d’une jetée et qui reçoit régulièrement les embruns, est à classer en atmosphère de catégorie C5-M. ■

Risques particuliers

Mais, il existe aussi des risques particuliers pour les faces condensantes d’ouvrages situés en hauteur, tels les portiques et grues. L’environnement semble plus agressif pour les sous-faces de tels ouvrages qui se corrodent généralement plus vite que les autres faces. Ce phénomène pourrait être attribué au fait que les dépôts d’eau salée, provenant des embruns, n’y sont pas rincés par les pluies. Tout se présente comme si ces seules faces condensantes se trouvaient situées dans une atmosphère de corrosivité différente, plus agressive que celle concernant les autres faces. ■

En conclusion

Ceci est tellement important que les professionnels se sont attachés depuis longtemps à préciser les conditions et les moyens de préparation des surfaces, ainsi que l’évaluation visuelle de la propreté du subjectile avant application.

Retenons que la bonne définition de la classe de corrosivité relative à l’ouvrage à traiter a une importance primordiale dans le choix des solutions techniques à mettre en œuvre pour obtenir un résultat efficace de la protection.

Dès le début des années 1960, l’OHGPI (Office d’homologation des garanties de peinture industrielle) s’est préoccupé de ce point fondamental et a publié son premier opuscule en 1963, reproduisant les degrés de soins retenus (voir le Pour en savoir plus ). Dans le même temps, la Suède a produit la principale norme relative à ce sujet. Elle est devenue la norme internationale et la principale référence officielle : les normes ISO 8501-1 et ISO 85012 sont des ouvrages très complets et comportent de nombreux clichés photographiques. Des fac-similés de ces documents et de ces informations essentielles aux parties sont publiés dans cet article pour bien appréhender cet aspect du sujet. L’évaluation visuelle de la propreté du subjectile avant application est, au moins, aussi déterminante pour la durée de vie probable de la protection que la nature et la qualité du revêtement choisi.

3.2 Structures immergées, ouvrages enterrés Selon la norme ISO 12 944-2, les environnements types ont été classés en 3 catégories (voir tableau 2).

Tableau 2 – Catégories de corrosivité pour les structures immergées ou enterrées (Norme ISO 12 944-2) Catégories

Environnements

Exemples d’environnements et de structures

Eau douce

Installations de rivières, centrales hydroélectriques.

Im2

Eau de mer ou eau saumâtre

Zones portuaires avec des structures comme des écluses, portes, jetées, structures offshore.

Im3

Sol

Réservoirs enterrés, piles en acier, tuyaux en acier.

Im1

4.1 Projection d’abrasif : préparation de surface primaire (totale) Les aciers laminés à chaud comportent toujours, à l’état neuf, une couche d’oxyde grise, très adhérente, appelée « calamine ». Bien que cette couche puisse localement rester longtemps présente, ses caractéristiques dilatomètriques, différentes de celles de l’acier, entraînent un comportement imprévisible conduisant à des décollements et à la rupture des revêtements. La plupart des concepteurs préfèrent donc éviter de telles incertitudes et demandent son élimination.

Remarque : pour les ouvrages enterrés de catégorie Im3, et

notamment les canalisations, la présence d’une protection cathodique est importante et elle doit être prise en compte.


ＱＰＹ

C 2 509 – 5

Ｓ



OF 0

Ｓ

_____________________________________________________________

OF 1

OF 2

Figure 1 – Exemple de « flash rusting » (NF T 35-520)

À part des modes de préparation de surface par action de produits chimiques (acides) ou de certains outils (meules) qui ne sont adaptés qu’à des cas particuliers, ce sont les projections d’abrasifs sous forme de grains qui s’avèrent les plus efficaces et les plus fiables pour l’élimination de la calamine (ainsi d’ailleurs que de tout autre corps étranger à la surface de l’acier, tels que les anciennes peintures). Quatre degrés de soins (Ds) par décapage ont été définis (désignés par les lettres Sa dans la norme suédoise) : – Ds 3 : décapage à blanc, degré de soin maximal ; – Ds 2 1/2 : décapage très soigné (le plus courant sur site) ; – Ds 2 : décapage soigné ; – Ds 1 : décapage léger. L’OHGPI a publié un opuscule de 6 feuillets qui reprend l’essentiel des spécifications techniques de décapage par projection d’abrasif et montre la progression de l’efficacité du décapage (c’est la même plaque qui est représentée sur tous les clichés). Il est rappelé en même temps quelques précautions indispensables pour obtenir un travail valable. Dans certains cas, il peut être nécessaire d’humidifier les abrasifs lors de sa projection par différents procédés. Il s’agit alors d’un décapage en milieu humide, mode opératoire qui consiste à retirer les revêtements antérieurs, la rouille, la calamine et les contaminants, par projection d’un abrasif en suspension dans un jet d’eau sous pression, supprimant de ce fait la production de poussières. Ce procédé est principalement utilisé dans les environnements où les risques d’explosion sont présents.

Avec le décapage à l’eau sous pression, il convient de prendre garde au phénomène instantané d’oxydation qui en résulte toujours (figure 1), dit « oxydation flash » (plus connu encore sous le vocable anglais « flash rusting ») qui peut prendre très vite des proportions telles qu’il convient de procéder à une deuxième passe avant application d’une première couche appropriée. La norme ISO 4618 (NF T 35-520) définit 4 degrés de soins ainsi obtenus et 3 échelles d’oxydation-flash, mesurées par un procédé pratique de collage et décollage successifs de papier adhésif (voir tableau 3) : – DHP 4 : mise à nu de l’acier ; – DHP 3 : décapage poussé ; – DHP 2 : décapage moyen ; – DHP 1 : décapage léger ; – OF 0 : pas d’oxydation ; – OF 1 : oxydation superficielle non pulvérulente ; – OF 2 : oxydation superficielle pulvérulente.

4.3 Autres préparations de surface Lorsque le subjectile, l’ouvrage lui-même, ou l’environnement, ne permettent pas, ou difficilement, la projection d’abrasifs, on peut avoir recours à d’autres modes de préparation de surface. Cela concerne essentiellement les ouvrages anciens à rénover : – grattage brossage avec degrés de soins St3 ou St2 : référence à la norme NF T 35-506 ; – dégraissage : rappelons que toutes les préparations de surface décrites précédemment ne font pas tout. Un contrôle est nécessaire pour décider d’un éventuel dégraissage ; – nettoyage à la flamme (Fi) ; – décapage à l’acide (Be). Lorsque les supports sont en acier galvanisé, métallisé ou en aluminium et autres alliages, des préparations spécifiques aux peintures utilisées peuvent être nécessaires. Elles sont alors spécifiées dans les fiches techniques du fabricant

4.2 Décapage à l’eau sous pression Cette méthode consiste à diriger un jet d’eau douce sous pression sur la surface à nettoyer. Selon le niveau de pression de l’eau projetée, elle est appelée : – HP (Haute pression) : de 70 à 100 MPa ; – THP (Très haute pression) : de 100 à 140 MPa ; – UHP (Ultra haute pression) : > 140 MPa. Ces techniques, plus récentes que le décapage par projection d’abrasif, présentent des avantages et des inconvénients : – elles peuvent permettre de conserver une partie de l’ancien revêtement ; – elles ne peuvent créer de rugosité comme la projection d’abrasif (sec ou humide), mais elles restituent partiellement la rugosité d’origine.

C 2 509 – 6

4.4 Norme ISO 8501-1 La norme ISO 8501-1, exhaustive sur le sujet, est le document normatif de référence. Le tableau 4 récapitule les caractéristiques essentielles des surfaces ainsi préparées avec les degrés de soins concernés reproduits pour les principaux d’entre eux aux (figures 2 et 3).


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