Etude de cas : Maison Constantin, Ploiesti, Roumanie

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1 Etude de cas : Maison Constantin, Ploiesti, Roumanie Cette étude de cas présente une maison pilote à structure métallique, construite à Ploiesti, Roumanie, région très sismique. La structure, composée d'éléments formés à froid, est mise au point selon des méthodologies de conception antisismique permettant aux panneaux muraux, dotés de tôle ondulée ou de panneaux OSB, de résister aux charges sismiques. Sommaire La maison de la famille Constantin 1. Le projet 2 2. Point de vue du client 2 3. Point de vue de l'architecte 2 4. Point de vue de l'ingénieur 4 5. Point de vue de l'entrepreneur général et charpentier métallique 9 6. L'équipe du projet 10 Page 1

2 1. Le projet Au cours des quelques dernières années, la construction métallique est devenue une option pour les maisons individuelles dans de nombreux pays d'europe, y compris en Roumanie. Comparée aux solutions conventionnelles, l'ossature en éléments formés à froid confère des avantages à la fois techniques et économiques, dont la légèreté de structure, la facilité de préfabrication, la vitesse de montage et la qualité améliorée. Les structures en éléments formés à froid étaient autrefois considérées comme manquant d'efficacité pour les constructions dans les régions très sismiques. En conséquence, dans la majorité des codes de calcul pour ces régions, de tels types de structures n'étaient pas permis. L'étude de cas présentée ici prouve le contraire : les bâtiments résidentiels à structure en éléments formés à froid sont en réalité très efficaces dans les régions sismiques. 2. Point de vue du client Emanuel Constantin, propriétaire Lorsque j'ai commencé à planifier ma propre maison familiale, je n'en connaissais que les dimensions, dérivées des limites de terrain et de mes préférences personnelles. Dans une telle situation, les principaux critères de choix étaient la rapidité et la simplicité de construction, le rapport qualité-prix, la possibilité d une solution sèche, la bonne isolation thermique et acoustique, et la résistance aux séismes. Mon domaine de spécialisation n'est pas lié à celui de la construction, mais grâce à mes connaissances du secteur du bâtiment, j'ai pu trouver la bonne solution, à savoir une maison avec la structure métallique en éléments formés à froid. Dès le début des discussions avec l'architecte, je suis devenu de plus en plus attiré par une solution métallique. Par comparaison à une structure conventionnelle en brique, j'étais convaincu que mes critères de choix initiaux seraient remplis par la solution en éléments formés à froid. J'ai finalement décidé de construire une maison à structure métallique. En 3 mois, le bâtiment était terminé. Depuis le mois d'août 2005, je vis avec ma famille dans une maison métallique qui, de l'extérieur, ressemble à une maison traditionnelle. Je suis en mesure de confirmer toutes les caractéristiques citées ci-dessus, y compris le bon comportement en cas de séisme, qui a été démontré par des essais en laboratoire. 3. Point de vue de l'architecte Mihai Mutiu, architecte du projet, S.C. Network Management Ltd., Timisoara, Roumanie Les deux principales caractéristiques de ce bâtiment à deux étages résident dans l'utilisation d'une ossature légère en acier pour une résidence privée, démarche nouvelle en Roumanie, ainsi que dans la solution architecturale, définie par les contraintes du site. Page 2

3 D'un point de vue architectural, le principal défi du projet était d'adapter cette résidence privée à un terrain de forme irrégulière, de 168 m 2 seulement. Le résultat, un bâtiment en forme de cube, mesurait au final 84 m 2 de superficie bâtie pour chacun des deux étages (voir la Figure 3.1), soit le maximum autorisé par la réglementation de la ville. Etant donné la proximité des bâtiments voisins, la difficulté suivante consistait à trouver un bon équilibre entre vues, lumière naturelle et vie privée. Deux lanterneaux, situés au-dessus de la cage d'escalier et de l'entrée, font pénétrer la lumière et rehaussent le centre de la maison. La Figure 3.2 présente une vue de l'intérieur. Plan du rez-de-chaussée Plan de l'étage 1. Salle à manger 2. Cuisine 3. Séjour 4. Salle de jeux 5. Buanderie 6. Chambre principale 7. Bibliothèque 8. Chambre 9. Dressing 10. Salle de bain 11. Loggia Figure 3.1 Plans du rez-de-chaussée et de l'étage de la maison de la famille Constantin La décision d'utiliser une structure légère en éléments formés à froid est venue parce que le constructeur avait l'intention de saisir cette opportunité pour rechercher des solutions d'ingénierie plus efficaces, et pour vérifier les coûts de construction. En dépit du fait que le client acceptait sans problème la nouvelle solution de structure, les diverses priorités fonctionnelles exigées ont abouti à des agencements assez fragmentés, notamment au rez-de-chaussée. On peut dire que dans ce cas un système de structure qui aurait pu aboutir à une solution architecturale plus légère n'a pas été pleinement exploité. Néanmoins, il a été possible de bâtir une construction de bonne qualité, avec un haut niveau d'isolation thermique et acoustique et avec des coûts de construction réduits. Page 3

4 Figure 3.2 Vues intérieures : la cage d'escalier 4. Point de vue de l'ingénieur Ludovic Fülöp, ingénieur d'études, BRITT Ltd., Timisoara, Roumanie Pr Dan Dubina, ingénieur-côntroleur, Politehnica Université de Timisoara, Roumanie 4.1 Conception de la structure La Figure 4.1 présente la structure d une maison individuelle à deux étages. En raison des bâtiments voisins de la propriété, il était impossible de prévoir des fenêtres dans les axes 1 et D (voir la Figure 4.1). Cette contrainte est également l'une des raisons pour lesquelles la toiture est à un seul versant. Les dimensions du bâtiment sont de 9 m (axes A D) sur 10,5 m de largeur (axes 1 4). Chaque étage est d'environ 2,75 m de hauteur et l'inclinaison de la toiture est de 30. L'ossature est composée d éléments formés à froid en C (C150/1,5) espacés de 600 mm, d'une épaisseur de 1,5 mm, fixés par des vis autoperceuses de 4,8 mm de diamètre. La hauteur des profilés est de 150 mm, ce qui détermine l'épaisseur des murs. Les poutres porteuses de plancher sont des profilés C200/1,5 espacés de 600 mm ; ce choix résulte de la condition de contrôle des vibrations du plancher plutôt que de la conditions de solidité. Les pannes de toiture sont des profilés Z150/1,5 espacés de mm. Page 4

5 Figure 4.1 Ossature métallique Les murs sont raidis par des plaques OSB de 10 mm d'épaisseur, de chaque côté des murs porteurs (Figure 4.2). Les diaphragmes horizontaux devaient, à l'origine, être basés sur le même principe de couverture par panneaux OSB. Cette solution a été remplacée par un revêtement avec les bacs acier trapézoïdaux, à la fois au niveau du plancher et au niveau de la toiture. Aucune couverture en béton n'est utilisée pour le plancher. Figure 4.2 Ossature avec panneaux OSB Page 5

6 La Figure 4.3 montre la structure à deux stades différents : (a) l'ossature métallique finie, (b) l'ossature métallique avec panneaux OSB porteurs montés. (a) l'ossature métallique finie (b) l'ossature métallique avec tous les panneaux OSB porteurs montés Figure 4.3 La structure en construction Le poids propre de la structure a été évalué à : 0,45 kn/m 2 pour la toiture, 0,70 kn/m 2 pour la dalle, 0,60 kn/m 2 pour les murs extérieurs et 0,20 kn/m 2 pour les murs intérieurs. Les autres conditions de charge ont été déterminées selon les normes roumaines. La charge d'exploitation sur le plancher a été prise égale à 1,50 kn/m 2, la charge de neige sur la toiture à 1,20 kn/m 2 et les charges dues au vent sur les surfaces exposées à la plus forte pression à 0,40 kn/m 2. Page 6

7 Les calculs antisismiques de la construction sont basés sur une accélération maximale du sol (PGA) de 0,25 g, et sans prévoir de réduction, q = 1. Cette condition devait être remplie afin de respecter la règlementation locale, qui ne prévoit pas la réduction des forces sismiques dans le cas de structures en acier léger. Ces règles sont applicables à tous les schémas constructifs. L'un des problèmes pendant la conception d'une telle structure se situe au niveau de l'évaluation de la capacité portante et de la rigidité du système d'habillage des murs et des planchers. Si le cas des planchers peut être couvert par des dispositions générales (par ex. en raison des faibles niveaux de contraintes), une évaluation correcte des murs est essentielle. Dans ce cas, l'évaluation de la résistance au cisaillement et de la rigidité par mètre de longueur de mur est le résultat d'une extrapolation des résultats expérimentaux existants. Pour l'analyse tridimensionnelle, la rigidité causée par l'habillage a été remplacée par un contreventement en X équivalent. La structure est soumise à un effet de torsion pendant un séisme parce que les murs des axes 1 et D sont entièrement habillés, tandis que ceux des axes 3, 4 et A comportent tous des ouvertures. Dans ces conditions, en ce qui concerne les tremblements de terre, le panneau mural le plus critique est celui de l'axe A au rez-dechaussée. La masse propre de la structure métallique (habillage exclu) a été estimée à kg. Les masses des panneaux et des éléments de finition ont été estimées à M 1 = 700 kg, M 2 = 4650 kg et M 3 = kg. Dans la situation de calcul, la masse de la structure M calcul = kg. En tenant compte exclusivement de la contribution de ces charges à la masse de la structure, les périodes de vibration et les modes propres peuvent être prédites au moyen de l'analyse par éléments finis (voir le Tableau 4.1). Notez que le stade 3 (structure avec finition) a été analysé du point de vue seulement de la masse supplémentaire occasionnée par la finition. La contribution à la raideur des éléments secondaires et des éléments de finition n'a pas été quantifiée et incluse. Tableau 4.1 Propriétés dynamiques obtenues par modélisation par éléments finis Stade T 1 (s) Vibration T 2 (s) Vibration T 3 (s) Vibration 1 0,44 Transversale 0,39 Torsion 0,35 Longitudinale 2 0,19 Longitudinale 0,18 Transversale 0,13 Torsion 3* 0,33 Longitudinale 0,31 Transversale 0,23 Torsion * Remarque : seules les masses ont changé par rapport au stade 2. La raideur n'est pas affectée. Les modes propres décrits dans le Tableau 4.1 contiennent un certain degré de torsion car le centre de rigidité est déplacé vers les murs revêtus. Les formes pour le second stade sont présentées à la Figure 4.4. Page 7

8 a) b) c) Figure premiers modes propres dans le second stade (modélisation par éléments finis) : (a) premier mode, (b) second mode, (c) troisième mode Page 8

9 4.2 Mesures sur place Parce qu'il s'agissait d'un projet pilote pour cette technologie en Roumanie, dans un endroit reconnu comme zone très sismique, la procédure de calcul et la performance sismique de cette structure ont été vérifiées par des essais sur place. Dans ce but, les propriétés dynamiques pour les vibrations de faible amplitude du bâtiment ont été étudiées par mesures directes aux trois stades de la construction : (1) l'ossature métallique finie, (2) l'ossature métallique avec tous les panneaux OSB porteurs montés et (3) le bâtiment terminé avec toutes les finitions, avant remise au propriétaire. D'après les mesures, la période de vibration T i, le taux d'amortissement, ξ i et la forme du mode propre ont été déterminés. Les résultats sont présentés dans le Tableau 4.2. Tableau 4.2 Propriétés dynamiques mesurées Stade Mode 1 Mode 2 Mode 3 T 1 (s) ξ 1 (%) Vibration T 2 (s) ξ 2 (%) Vibration T 3 (s) ξ 3 (%) Vibration 1 0,546 1,18 Longitudinale 0,437 1,05 Transversale 0,456 1,30 Torsion 2 0,103 3,43 Transversale 0,096 3,72 Longitudinale ,101 4,11 Transversale 0,096 3,80 Longitudinale 0,072 4,12 Torsion Les résultats des essais sont plus favorables par rapport à ceux obtenus par calcul, ce qui signifie que la procédure de conception est suffisamment sécuritaire. Il convient de souligner que le montage des panneaux OSB de raidissage a non seulement accru considérablement la rigidité de la structure mais a également modifié la direction de vibrations du premier mode propre. Au premier stade de construction, la forme du premier mode était longitudinale (voir le Tableau 4.2) avec la période T 1,St1 = 0,54 s, tandis qu'au second stade, elle est devenue T 1,St2 = 0,10 s. Il est intéressant d'observer qu'à ce stade de construction, le taux d'amortissement a également été considérablement accru. Au stade définitif, aucun changement important des propriétés vibratoires ne peut être observé. Cela signifie que la masse supplémentaire introduite avec la finition est contrebalancée par l'augmentation de raideur produite par ces éléments de finition. Lorsque la charge d'exploitation sera ajoutée (meubles, etc.), la période de vibration augmentera légèrement. Elle sera probablement de T 1 = 0,15-0,2 s à l'usage. Autre conclusion : le taux d'amortissement ξ = 0,05 est une estimation raisonnable (même si légèrement exagérée) pour des maisons en éléments formés à froid. 4.3 Conclusion Une maison à structure en éléments minces a pour avantages d'excellents rapports qualitéprix, une bonne performance structurale et de bonnes caractéristiques vis-à-vis de la physique du bâtiment. Elle constitue également une solution idéale dans les zones sismiques. 5. Point de vue de l'entrepreneur général et charpentier métallique Zsolt Nagy, directeur technique, Lindab Ltd., Bucarest, Roumanie Page 9

10 Maisons en éléments formés à froid : un sujet de plus en plus soulevé sur le marché roumain La conclusion tirée des informations rassemblées sur le marché roumain est que les gens sont principalement conservateurs : ils préfèrent des maisons conventionnelles en brique. Lorsque nous avons obtenu l'accord de notre client, M. Emanuel Constantine, pour la construction d'une maison en acier, nous savions que le processus de changement avait démarré. Ce projet de maison familiale bénéficie de notre longue et bonne expérience avec l'architecte et le concepteur de la structure métallique. Nous devons généralement clarifier un grand nombre de doutes et de questions. Le client ne voit pas certains aspects, tels que les principaux avantages. En mettant tout dans un tableau Caractéristiques / Avantages / Bénéfices, nous obtenons ceci : Caractéristiques Avantages Bénéfices Haute qualité des matériaux Structures en éléments formés à froid Haute qualité de l'acier Système modulaire Spécialiste des maisons familiales Technologie sèche Economies Solution financière Durabilité vis-à-vis de la pourriture, des termites et pratiquement indestructible Poids propre réduit, presque 100 % recyclable Plus grande liberté au niveau des portées Facilité de disposition et d'installation des éléments Facilité à nous trouver Montage facile et propre Coûts réduits Faible réduction de la trésorerie de la famille Frais d'entretien réduits Non affectation par les séismes (sécurité), faibles coûts de main-d'œuvre, économies d'énergie. Haut degré de souplesse et de confort au niveau de l'agencement Economies financières Pas de perte de temps économies financières Confort, isolation parfaite de la chaleur, du bruit et de l'humidité. Réduction des frais d'assurance et des intérêts Acquisition rapide et sûre Le terrain était un facteur essentiel du projet : en raison de la très petite superficie au sol (tout juste 145 m 2 ), nous avons décidé de proposer un système sec utilisant la technologie «pièce par pièce». Tous les éléments ont pu être montés à la main, au moyen d'outils et de techniques de fixation très simples. Bien entendu, il était évident que nous ne pourrions pas utiliser un système modulaire, mais même dans ces conditions, nous avons appliqué toutes les solutions de structure définies standardisées. Au final, notre client a pu profiter des avantages d'une solution complète et bien développée : économies financières, acquisition sûre, maintenance réduite et construction rapide. 6. L'équipe du projet Client : Entrepreneur général et charpentier métallique : Architecte : Ingénieur de structure : Emanuel Constantin, Ploiesti, Roumanie Lindab Ltd., Bucarest, Roumanie Network Management Ltd., Timisoara, Roumanie Britt Ltd., Timisoara, Roumanie Page 10

11 Enregistrement de la qualité TITRE DE LA RESSOURCE Etude de cas : Maison Constantin, Ploiesti, Roumanie Référence(s) DOCUMENT ORIGINAL Nom Société Date Créé par Viorel UNGUREANU BRITT Ltd. Timisoara, Romania Contenu technique vérifié par Dan DUBINA BRITT Ltd. Timisoara, Romania Contenu rédactionnel vérifié par Contenu technique approuvé par les partenaires : 1. Royaume-Uni G W Owens SCI 10/3/06 2. France A Bureau CTICM 10/3/06 3. Suède A Olsson SBI 10/3/06 4. Allemagne C Müller RWTH 10/3/06 5. Espagne J Chica Labein 10/3/06 Ressource approuvée par le Coordonnateur technique G W Owens SCI 10/6/06 DOCUMENT TRADUIT Traduction réalisée et vérifiée par : eteams international Ltd Ressource traduite approuvée par : M. Lukic CTICM 31/05/06 Page 11