Construire en acier. Documentation du Centre suisse de la construction métallique SZS 01/12. steeldoc. Halles et hangars Guide de conception.

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1 Construire en acier Documentation du Centre suisse de la construction métallique SZS 01/12 steeldoc Halles et hangars Guide de conception tec 03

2 Table des matières 1 Construction de halles 4 L acier comme matière première Construire avec de l acier La conception architecturale des halles en acier Rentabilité Flexibilité Planification intégrée Conception 2 Structures porteuses 6 Vue d ensemble Fermes et piliers Portiques Arcs Structures porteuses spatiales 3 Enveloppe du bâtiment 23 Protection thermique Protection contre l humidité Protection phonique Systèmes de construction pour toits et parois Eclairage Aération 4 Protection contre les incendies 27 Evacuation de la fumée et de la chaleur Chemins de fuite et de sauvetage Accessibilité Compartiments coupe-feu Installations d extinction Mesures de protection constructives 5 Protection contre la corrosion 28 Protection contre la corrosion sur mesure Revêtements Films de protection métalliques Revêtements sur des éléments galvanisés (systèmes duplex) 6 Intégration des systèmes 29 Structure Enveloppe Aménagement technique Concepts d intégration 7 Durabilité 30 Rentabilité Qualité écologique Aspect social Suggestions pour la planification de halles durables Compétence en construction métallique Le Centre suisse de la construction métallique SZS est une organisation professionnelle qui réunit les entreprises de construction métallique, les fournisseurs et soustraitants et les bureaux d études les plus importants de Suisse. Par ses actions, le SZS atteint un large public de concepteurs, d institutions et de décideurs. Le SZS informe ses membres et le public de l évolution dans la construction métallique et offre un forum pour les échanges et la collaboration. Le SZS met à disposition les informations techniques, encourage la recherche et la formation des professionnels et s engage dans la collaboration au-delà des frontières. Ses membres profitent d une vaste palette de prestations. Steeldoc est la documentation d architecture du Centre suisse de la construction métallique. Elle paraît quatre fois par année en allemand et en français. Les éditions spéciales à orientation technique, comme le présent numéro, sont également éditées dans une série spéciale. Stahlbau Zentrum Schweiz Centre suisse de la construction métallique Centro svizzero per la costruzione in acciaio

3 Editorial Le présent numéro technique de Steeldoc est un guide de conception pour la construction de halles en acier. La construction de halles offre l occasion d exploiter les avantages de la construction métallique: légèreté, flexibilité, possibilités quasi illimitées de transformation et d extension. Le principal enjeu de la construction de halles est la flexibilité d utilisation. Elle nécessite la prise en compte des charges, des dimensions et des procédés particuliers. Le choix de la structure porteuse a donc des conséquences directes pour les dimensions de l espace, la dis position des installations techniques et les possibilités d exploitation à long terme. Pour cette raison, la plupart du temps, sont retenus les types de structures permettant une extension, de préférence modulaire, ce qui contribue, en fin de compte, à la longévité du bâtiment. Ce numéro a pour but d offrir quelques points de repères pour la con ception et la réalisation de halles économiques et rationnelles, tout en four nissant les informations techniques utiles. Nous proposons dans la présente édition une information de fond décrivant les principaux types de structures envisageables, ainsi que leurs caractéristiques et avantages construc -tifs. Une introduction thématise les bases de con ception tenant compte de la rentabilité, la flexibilité et l intégration des installations techniques. Un chapitre est dédié à la structure porteuse, présentant les différentes typologies comme les squelettes, les portiques, les arcs ou les structures porteuses spatiales. D autres articles se consacrent à l enveloppe du bâtiment, la protection incendie et contre la corrosion, et finalement nous traitons également l intégration des systèmes et la durabilité de la construction. En parallèle à ce numéro technique de Steeldoc, paraît le numéro 02/12 avec une documentation d exemples pratiques de constructions de halles. Comme toujours, notre documentation va jusqu aux détails, pour stimuler la recherche de solutions pratiques. A nos lecteurs, nous souhaitons bien du plaisir à l étude des pages de Steeldoc qui suivent. Evelyn C. Frisch 3

4 Introduction 1 Construction de halles L acier comme matière première Aucun autre matériau n est utilisé dans autant de divers domaines d application, permettant d obtenir d aussi bonnes propriétés du produit final. La multitude des propriétés, combinées avec les nombreuses formes de liv raisons com me les tôles, les tubes, les profils, les poutres, les barres ou les câbles font de l acier une matière indispensable dans presque tous les domaines de la technique. La large palette des domaines d utilisation de l acier est obtenue par un grand nombre de différentes techniques de fabrication. Des types précis de structures peuvent être atteints par des mesures métallurgiques ou des traitements thermiques spécifiques. Les divers traitements de surfaces offrent encore d autres domaines d utilisation. Les exigences demandées à l acier peuvent concerner ses propriétés physiques ou chimiques. L acier est le matériau optimal partout où l on demande de hautes résistances, où la construction demande d atteindre des hauteurs élevées, de franchir des portées extrêmes, mais aussi là où des hautes résistances et un faible poids sont demandés, comme par exemple dans la construction de véhicules. Les produits en acier peuvent être utilisés de manière répétitive. Si l utilisation sous leur forme initiale n est pas possible, ils sont refondus et sont transformés en un nouveau produit sans perte de qualité. Presque 50 % de la production mondiale d acier brut est produit par la refonte de ferraille. Aucun autre matériau de construction n a un taux de recyclages aussi élevé. Construire avec de l acier Les éléments de construction en acier sont amenés, avec des dimensions précises, sur le chantier pour y être assemblés par boulonnage ou soudure. Les éléments de construction préfabriqués au millimètre montrent la précision possible avec l acier qui permet de planifier exactement les dimensions, la découpe et le montage des pièces fabriquées. La masse à transporter, la capacité de levage de la grue et la liberté de mouvement déterminent le nombre de liaisons à exécuter sur le chantier. Ceci est un avantage déterminant qui différencie la construction mé tallique des autres genres de construction. A l avenir cette manière de construire prendra toujours plus d importance. éléments et des pièces en atelier et un procédé de pla n i- fication exact pour la construction et le montage. Une halle en acier remplit, aujourd hui, de manière exemplaire les exigences demandées à un produit industriel de grande qualité. La production des éléments porteurs a lieu dans des ateliers de construction métallique à l aide de procédés de planification et de production assistés par ordinateur. La grande résistance de l acier liée à une structure porteuse adaptée au matériau permet un poids favorable de la structure, ce qui permet, comparativement, la construction de petites fondations. Les liaisons boulonnées et le poids relativement faible sont des avantages pour le transport et le montage. Pour la construction de l enveloppe du bâtiment on dispose d éléments en tôle fine avec des surfaces ennoblies: la toiture est construite avec des tôles trapézoïdales et les parois avec des profilés à caisson. Des profilés spéciaux servent de coque extérieure lors de la construction d une peau étanche à la pluie et au vent. Les éléments sandwich PUR sont des éléments intégrés dans la construction des toits et des parois permettant de réunir l isolation thermique, la finition intérieure et extérieure dans un seul élément. La conception architecturale des halles en acier Les halles sont largement répandues dans notre culture industrielle et une grande quantité est présente dans chaque zone industrielle. La qualité urbanistique et architecturale de beaucoup de zones industrielles est influencée par beaucoup de facteurs, comme le plan d occupation, l utilisation hétérogène, corps et type du bâtiment, jusqu à la qualité de chaque bâtiment. L acier comme matériau de construction offre de nombreuses possibilités, aussi celle de satisfaire les exigences d une bonne conception. La halle n est généralement pas un corps de bâtiment isolé. Si les zones de bureaux et d administration, les ateliers et les locaux techniques ainsi que les locaux annexes et les avant-toits ne sont pas conçus comme un ensemble avec la halle, ils peuvent compromettre comme un corps étranger, la forme simple et claire du bâtiment. De bons exemples montrent, cependant, que ces éléments peuvent être conçus pour aller avec le corps du bâtiment et former une unité avec lui. La construction industrialisée veut dire: l utilisation d éléments de construction spéciaux, la fabrication en série des divers composants de la construction, la standardisation des raccords et liaisons, le façonnage des pièces à la machine, la préfabrication de la plus grande partie des Rentabilité Pour les halles l économie de la structure joue un rôle décisif. Avec l augmentation de la portée il devient important 4 steeldoc 01/12

5 d optimaliser la planification et l utilisation des matériaux et de minimiser les coûts de fabrication et de montage. Cela réussit avec la conception de structures adaptées. La structure n existant pas comme produit fini, elle doit chaque fois être adaptée à la nouvelle fonction. A ce sujet, il est déterminant d adapter chaque membrure et élément porteur de manière la plus exacte possible au flux des efforts dans la structure. En générale les halles ont des enveloppes de grande surface. Cela demande l emploi de matériaux de construction adaptés. Des éléments de toiture et de parois en tôle fine avec des surfaces ennoblies se prêtent par leurs dimensions à la fermeture de grandes ouvertures. Des éléments de petites dimensions occasionnent beaucoup de travail lors du montage. Flexibilité la répartition des espaces, l alimentation d énergies et la modification de l aménagement pour pouvoir réagir à des changements d affections ou de conditions de fabrication. Planification intégrée La construction d une halle ne se restreint, en général, pas au développement de la structure et d une enveloppe adaptée. La technique du bâtiment et les installations techniques nécessaires à la production doivent être intégrées dès le début dans la planification d une construction industrielle. Une collaboration précoce entre l architecte, le concepteur de la structure et les ingénieurs spécialisés est la condition indispensable pour le développement intégral d une halle. Seul une planification intégrale amène à un projet qui tient compte, de manière équilibrée, des différents aspects. Structure porteuse d une halle type éprouvée, ProKilo-Markt, Würselen (D), portée 20 m. Les halles se différencient principalement par leur utilisation. Les plus typiques sont celles d exposition, de gare, de fabrication, d aéroport, de stockage, de marché, de sport, de vente de production et d atelier. Tous les types de halles ont une chose en commun: au cours de leur utilisation ils devraient être adaptables aux changements des exigences. Une halle en acier offre en cette matière toute une série d avantages: Elle peut être facilement et à moindre frais agrandie dans les deux directions. La structure peut être renforcée localement, en fonction des besoins. Des ouvertures peuvent être pratiquées après-coup. Installations et conduites sont faciles à intégrer et toujours accessibles. Si les assemblages se font par boulonnage le montage et le démontage s effectuent à moindre frais. Grâce au recyclage de l acier, le processus de démo lition et d élimination est très respectueux de l environ nement. Une suite toujours plus rapide de nouveaux produits exige d une halle industrielle un maximum de flexibilité quant à Conception L enveloppe entourant complètement la structure, elle est déterminante pour l apparence d une halle. En général la structure d une halle n est visible que depuis l intérieur. Une construction métallique adaptée au flux des efforts avec ses détails précis et son ordre géométrique généreux marque l espace intérieur. En plus, il suffit d un petit investissement pour faire apparaître cette structure aussi à l extérieure. Si la structure elle-même est l élément principal visible à l extérieur, il faut vouer une attention particulière aux pénétrations de la structure dans l enveloppe afin de réduire au minimum les problèmes d étanchéité et les ponts thermiques. Dans un corps de bâtiment clair, la forme imposée de la structure s exprime le mieux. Il est de ce fait conseillé d éloigner les annexes nécessaires et de les développer comme corps de bâtiment séparé. Les annexes correspondant aux proportions de la halle peuvent être reliées à celle-ci avec un joint. En principe, il faudrait vérifier si les domaines d utilisation contenus dans les annexes ne peuvent pas être intégrés dans la halle même. 5

6 Structures porteuses 2 Structures porteuses Vue d ensemble La conception architecturale d une halle est l apparence extérieure d une structure intérieure déterminée. En principe l on peut différencier des formes structurelles orientées, non orientées et centrées. Les structures dont les éléments porteurs principaux sont des piliers et des fermes, des portiques ou des arcs et leurs éléments annexes composés de pannes, de tôles trapéz oïdales ou de plaques sont des éléments porteurs orientés. Les éléments porteurs sont différemment sollicités dans le sens longitudinal que dans le sens transversal. Les éléments porteurs principaux sont généralement orientés perpendiculairement à l axe longitudinal du bâtiment. Les structures tridimensionnelles tel que le quadrillage de pou tres ou les treillis spatials utilisés comme systèmes porteurs sont des structures porteuses ajustées. La transmission des charges se fait au moins dans deux directions. Les structures porteuses avec des éléments porteurs qui sont orientés comme des rayons depuis un centre (halles circulaires) sont des structures centrées. Des éléments de construction disposés sans ordre géométrique reconnaissable peuvent être désignés comme des structures chaotiques. Ils sont disposés d après le principe du «mikado» de manière totalement aléatoire. De par leurs natures ils contredisent le principe de la construction industrielle et sont inadaptés pour la construction de hal les. Il est valable pour toutes les formes de structures nommées qu elles peuvent être réalisées comme structure plane, comme structure cintrée dans un axe ou dans deux axes. Une conception réussie tient compte des conditions qui émanent de la structure de la construction. La disposition des cadres de raidissement, des ouvertures pour l éclairage et l aération, des portes, des ponts roulants ainsi que des éléments de l aménagement technique doivent être en harmonie avec la géométrie donnée par la structure. Les isométries ci-contre montrent différentes dispositions pour les fermes et les pannes et différentes possibilités pour le raidissement. Pour toutes les structures porteuses orientées il faut étudier l exécution du mur pignon. Si un prolongement de la halle dans le sens de la longueur n est pas possible l on peut se passer d une ferme ou d un portique terminal. Les charges peuvent alors être plus économiquement transférées par des montants du mur pignon avec une poutre de bord. Pour un agrandissement longitudinal futur de la halle, il est préférable de prévoir aussi dans la zone du mur pig non une ferme ou un portique plein sur lesquels les mon t ants du mur pignon sont directement fixés. Ceci économise des coûts lors d un agrandissement futur. L avantage d une structure non orienté est que tous les éléments porteurs participent de manière égale au transfert des charges verticales. Cela signifie pour un sys tème à deux travées la mise en place d une trame carrée. Font partie des structures non orientées des sommiers et des fermes tridimensionnelles à deux ou à trois travées. Un avantage des structures non orientées est la possibilité d un agrandissement dans les deux directions. La symétrie multiple de structures non orientées la prédestine à des constructions peu courantes. Raidissement En principe, toute halle doit être contreventée dans les directions longitudinale et transversale. Les mesures à prendre au niveau de la toiture et des murs dépendent de la structure choisie. Les structures à portiques et à arcs sont stables dans la direction transversale et ne requièrent dès lors des contreventements supplémentaires que dans la direction longitudinale. Les structures à poteaux et poutres maîtresses et les structures bi- et tridimensionnelles doivent être contreventées dans les deux directions. Le contreventement peut être assuré par des voiles, des dalles ou des noyaux rigides, ou par l encastrement des poteaux, des montants de portiques et des arcs. Au niveau de la toiture et des murs, le contreventement peut être assuré par des éléments massifs (voiles et dalles) ou par des organes de contreventement métalliques. Une cou verture en tôle à nervures trapézoïdales peut également remplir cette fonction. Pannes Les pannes ont la fonction de transmettre les charges de la couverture du toit aux éléments porteurs principaux (fermes, portiques ou arcs). A part cela, les pannes peu vent servir de traverses de compression dans les contreventements. Pour un entraxe des éléments porteurs principaux jusqu à 7 m il peut être économique de poser les tôles trapézoïdales directement sur les poutres et de construire sans pannes. Des entre-axes plus grands réduisent le nombre d éléments porteurs principaux et de fondations, demandent toutefois l utilisation de pannes. Dans la construction de halles on utilise comme pannes des profils laminés à chaud ou des profils formés à froid avec des sections en Z ou en C. 6 steeldoc 01/12

7 Structures à portiques Portiques encastrés* Portiques à deux articulations avec pannes Portiques à treillis à trois embrures Portiques haubanés Structures à poteaux et poutres maîtresses Halle sans pannes* Halle avec pannes Structures à arcs Poutres à treillis et pannes Poutres sous-tendues et pannes Arcs à trois articulations avec pannes Arcs sur poteaux Arcs en treillis Arcs en treillis sur poteaux Structures bi- et tridimensionnelles Grille de poutres sur poteaux encastrés Grille de poutres haubanée Treillis tridimensionnel sur poteaux encastrés Treillis tridimensionnel cintré Fig. 1: Systèmes porteurs envisageables pour les halles en acier * par exemple avec une couverture propre à assurer le contreventement de la structure 7

8 Structures porteuses Installations de levage Dans les installations de levage on distingue, indépen - da m ment de la charge à déplacer, de simples rails sus pendus pourvu d un palan électrique ainsi que les ponts rou lants. Les installations de levage sont en règle générale commandées depuis le sol. Les ponts roulants pour des charges lourdes sont commandés depuis une cabine mobile. Pour les rails suspendus, les charges sont transmises dans la construction du toit alors que les fortes charges des ponts roulants sont directement transmises dans les piliers. Raidissement longitudinal d une halle portique avec contreventements en croix et mur pignon porteur Fondation La fondation a pour fonction de transférer toutes les charges survenant dans une construction dans le sous-sol. Pour l introduction des forces résultant de la construction on construit des éléments de fondation en béton armé. Le dimensionnement des fondations dépend de la grandeur des charges (p. ex. poids propre, charges dues au vent, à la neige, aux ponts roulants), de la forme de la structure et de la portance du sous-sol. Des pieds de piliers articulés transmettent des forces verticales et horizontales (forces normales et transversales) alors que des piliers encastrés transmettent en plus des moments dans les fondations. Appui pour panne continue Des études plus récentes sur le comportement sous la charge des pieds de pilier en acier encastrés dans le béton montrent que les fondations à douilles sont aussi une alternative économique dans la construction métallique. En conséquence les profondeurs d encastrement, souvent de moins de trois fois la hauteur du profil métallique, permettent des fondations de relativement petites dimensions. La possibilité de la préfabrication des fondations ponctuelles en usine doit toujours être examinée. Trous oblongs dans la console du chemin de roulement pour l ajustage fin Pied de pilier articulé, exécution légère avec rail d ancrage 8 steeldoc 01/12

9 Raidissement longitudinal d une halle portique avec contreventements en croix et portique terminal pour l agrandissement Raidissement longitudinal d une halle portique avec contreventement spécial pour l intégration d une porte cochère dans la paroi Raidissement longitudinal d une halle portique avec cadre en portique pour l intégration d une porte cochère dans la paroi Appui d extrémité de panne Appui d une panne continue en profil Z façonné à froid Appui d une panne continue en profil spécial façonné à froid Consoles de chemin de roulement en profils laminés soudés et boulonnés Raccord longitudinal soudé du chemin de roulement dans la zone d appui Pied de pilier encastré, exécution lourde avec vis à tête rectangulaire et barres d ancrage Pied de pilier encastré, fondation à douilles 9

10 Structures porteuses Salle de sport Burkertsmatt, Widen; architecte Rolf Mühlethaler, Bern piliers encastrés et les piliers avec fixations intermédiaires ou avec des charges de ponts roulants on choisit l axe du profil avec la charge maximale. Le choix doit se porter sur des piliers encastrés uniquement si une solution avec des contreventements verticaux est impossible, si la longueur de flambage est faible et que beaucoup de piliers peuvent être activés pour la transmission des charges horizontales. L ancrage peut se faire à travers des fondations à carquois ou des barres d ancrages. Le détail de construction des raccords aux fermes et des plaques de base devrait être étudié de manière à éviter, si possible, les nervures de renfort. Fermes et piliers Propriétés portantes Dans le cadre de cette présentation sur la construction de halles, le système composé de piliers, de fermes et de pannes et subsidiairement de contreventements représente un jeu de construction qui permet de multiples variations et qui peut être adapté à de grandes et de petites portées et diverses fonctions. Au point de vue de l enveloppe des moments le système «poutre sur deux piliers» représente le cas le plus défavorable. Cette disposition de poutres provoque un moment maximum au milieu de la travée et de par ce fait de grands efforts de cisaillement et des déformations conséquentes qui doivent être compensées par l apport nécessaire de matériaux. Par contre, les poutres à porte-à-faux, des poutres sur deux travées et des poutres continues provoquent un moment en travée plus favorable et une meilleure répartition des efforts (intérieurs). Ceci est avant tout va lable pour les pannes. Ainsi, les pannes sont conçues comme poutres continues et reposent sur les fermes. Les forces horizontales (vent) provenant de l enveloppe sont introduites dans la structure porteuse par l intermédiaire d une sous-construction de poteaux et de traverses. Les contreventements horizontaux au niveau de la toiture reprennent les efforts et les transmettent à travers les fermes aux contreventements verticaux. Les contreventements verticaux se situent au niveau des parois et servent à transmettre les efforts dans le pied des piliers. Il n est pas nécessaire de contreventer chaque travée. Pour des petites halles il suffit en général d une travée contreventée qui se situe environ au milieu de la halle pour transmettre les efforts horizontaux. Formes de fermes Les fermes sont des éléments porteurs plans soumis à la flexion. Les zones les plus éloignées de l axe neutre dans la surface de flexion d une section sont déterminant pour la résistance à la flexion d une poutre. La portance d une poutre soumise à des moments dépend de la forme de sa section. Pour cette raison la section d un profil en double T a une répartition optimale de la masse. Dans la construction métallique cette forme de section est le synonyme pour une poutre en flexion. Avec l augmentation de la portée il est judicieux d adapter encore mieux la section du profil porteur à l effort. Pour les poutrelles alvéolaires, qui sont produites en coupant un profil en double T et en le ressoudant, la répartition de la masse est nettement plus favorable que celle du profil original. Des poutres en tôle soudées avec des âmes minces offrent souvent une alternative économique. Dans les poutres en treillis les profils des membrures sont tenus à distance par des barres de remplissage. Les nœuds sont idéalement soumis uniquement à des efforts de traction et de compression. La poutre Vierendeel dispose uniquement de montants verticaux entre les profils des membrures, par ce faire chaque élément porteur est soumis à la flexion. Une poutre Vierendeel demande toujours la mise en œuvre de plus de matière qu une poutre comparable en treillis. Elles ont toutefois l avantage d avoir de grandes ouvertures libres. La condition préalable pour construire économiquement est une construction la plus simple possible des nœuds. La formation de véritables articulations n est pas courante. Par des liaisons boulonnées et soudées se forment des connexions plus ou moins rigides. Cependant, on ne tient pas compte, lors du dimensionnement des poutres en treillis, des tensions annexes ainsi générées. Formes des piliers La section des piliers est influencée par le genre d effort. Les piliers pendulaires purs sans fixations intermédiaires (charge verticale) devraient, à cause des efforts de flambage égaux dans tous les sens, pour des questions statiques avoir la même rigidité dans les deux axes. Pour les 10 steeldoc 01/12

11 Poutrelle cellulaire comme ferme sur deux portées avec porte-à-faux, portée 12,5 m Poutrelle continue en profilé à âme pleine, portée 12 m Ferme comme poutre à treillis à deux membrures, portée 36,6 m Ferme comme poutre à treillis à trois membrures, portée 29,3 m Ferme à cassure avec porte-à-faux comme poutre à treillis à trois membrures, portée 54,5 m 11

12 Structures porteuses Poutre alvéolaire 2 Poutre à trois membrures 3 Poutre Vierendeel 4 Poutre en R 5 Poutre à tirant inférieur 6 Présentation éclatée d une poutre à tirant inférieur 7 Exécution des nœuds pour poutres à treillis 12 steeldoc 01/12

13 Ferme à âme pleine avec tirant inférieur, portée 30,5 m Ferme avec porte-à-faux comme poutre à treillis à trois membrures, portée 28,8 m Ferme à âme pleine haubanée, portée 22,8 m 13

14 Structures porteuses Une poutre simple plie sous la charge et les deux extrémités tournent sur les appuis. Autrement par contre pour le portique, ici la liaison rigide entre le montant et la traverse empêche la rotation libre des extrémités de la traverse et les moments de flexion sont transmis dans le montant. Les moments d appuis développés par les angles du portique amènent une diminution du moment en travée dans la traverse. Cela conduit à des sections de traverse nettement inférieures par rapport à celles des poutres sur appuis articulés. Les montants et la traverse participent à part égale à la transmission des efforts horizontaux (vent). L élaboration des angles de portiques demande une attention toute particulière. La déviation des efforts dans l angle engendre localement de fortes tensions qui demandent des mesures constructives appropriées tel que des voûtes ou des renforts. La réduction des coûts de fabrication des angles conduit à des angles souples. En font parties tous les angles de portiques dont le moment transmissible ou la rigidité sont inférieurs à celles de la traverse raccordée. L investissement pour le dimensionnement de telles constructions est nettement supérieur à celui nécessaire pour des angles conventionnels. Pour cette raison, il faut comparer exactement le coût plus avantageux de la fabrication par rapport au surcroît de dépense pour le dimensionnement. Amada Solution Center, Haan (D), architectes Takenaka Europe GmbH, Düsseldorf Portiques Propriétés portantes La structure la plus répandue en construction métallique est le portique. Contrairement aux structures composées de piliers et de poutres avec une liaison articulée, les portiques sont caractérisés par une liaison rigide entre le montant et la traverse. Dans le système porteur composé de piliers et de poutres, seule la poutre est soumise à la flexion, tandis que dans les portiques, la flexion est répartie sur montants et la traverse. Ce comportement avan tageux aboutit à, en comparaison, une faible utilisation de matière. Le montant du portique doit en plus de l effort normal reprendre les moments de flexion. Cela exige une section avec une rigidité augmentée au niveau du portique. L effort de flexion dans un montant avec un pied articulé diminuant entre l angle supérieur et le pied de celui-ci, il est possible de le rétrécir vers le bas. De par la sollicitation des éléments porteurs montants et traverses il est possible de déduire certaines propriétés qui sont en relation avec le mode de construction: les espaces qui sont entourés de portiques sont des espaces nettement orientés. Les constructions en portiques ne nécessitent pas de stabilisation supplémentaire dans leur surface. De par ce fait il est possible d intégrer de grandes portes cochères dans les murs pignons. Par de généreuses surfaces de vitrages au niveau du portique la halle peut être ouverte sur l espace extérieur. Pour les structures en portiques des mesures de raidissement sont nécessaires uniquement dans le sens de la longueur de la halle. Il faut prévoir au moins dans une portée de la halle un contreventement horizontal et vertical. Les contreventements en K ou en croix sont mieux adaptés que les panneaux pleins, des montants de portiques encastrés ou la mise en place d un portique supplémentaire dans le sens longitudinal de la halle. Formes de portiques Un portique est caractérisé par des liaisons rigides entre les montants et la traverse. Ce détail typique marque aussi la structure au niveau esthétique et demande par ce fait une attention toute particulière. Indépendamment de la subdivision des structures en portiques à deux articulations, à trois articulations et en portiques encastrés, on peut différencier les structures en portiques à une nef, deux nefs et à nefs multiples. Une exception est donnée par le portique mono-montant où la traverse est fixée de manière rigide seulement à un montant. Une multitude d autres variantes de construction avec des portiques est donnée avec la possibilité d exécuter la traverse ou les montants et la traverse en treillis. On peut ainsi exécuter aussi bien des treillis à deux, à trois ou plus de membrures. Si l on optimalise la forme des portiques d après le flux des efforts, il en résulte des montants et des traverses avec des flasques non parallèles. L exécution de portiques polygonaux à cassures diminue la contrainte de flexion et rapproche la structure du portique de celle de l arc. En règle générale on utilise pour les portiques de halles des profils rigides. Les portiques de halles peuvent être produits avec des profils laminés courants. Par leur adaptabilité au flux des efforts, les constructions soudées se prêtent mieux aux plus grandes portées. Les constructions en treillis sont généralement les solutions les plus économiques pour les portées extrêmes. 14 steeldoc 01/12

15 A gauche: Portique à deux articulations avec angles souples en profilés pleins, portée 12 m A droite: Portique à deux articulations en profilés pleins, portée 18 m A gauche: Poutre cellulaire comme traverse de portique A droite: Portique à deux articulations avec ferme à treillis à deux membrures, portée 21 m Portique à un montant en profilés à âme pleine, portée 9 m Portique encastré avec montants et ferme à treillis à trois membrures, portée 30 m Portique à deux articulations avec montants et ferme en profilés soudés pleins, portée 48 m 15

16 Structures porteuses Portique articulé en profilés à âme pleine avec porte-à-faux, portée 17 m Portique encastré en profilés rectangulaires creux, portée 7,5 m Portique à trois montants en profilés à âme pleine avec pieds articulés, portée 17 m Portique à deux articulations avec ferme comme poutre Vierendeel en tôle brute, portée 36 m A gauche: Faîte de portique rigide, boulonné, avec enveloppe A droite: Coin de portique boulonné, transition toit-parois avec gouttière 16 steeldoc 01/12

17 Arcs Propriétés portantes Du point de vue de la relation entre portée et quantité de matériau mise en œuvre, les structures à arcs représentent des systèmes porteurs particulièrement performants. Leur fonctionnement statique favorable permet de franchir de manière économique des portées considérables. La manière dont les arcs reprennent et transmettent les efforts conduit à des structures archi tec - tu ralement intéressantes, qui expriment l état d équilibre, propre aux arcs, entre efforts de traction et de compression. La principale caractéristique statique d un arc «idéal» est qu il assure la reprise des charges verticales sans moment de flexion. Dans un tel arc, qui présente la forme d une parabole, une charge verticale uniformément répartie ne génère que des contraintes de compression. Ce cas de figure idéal se présente toutefois rarement dans la réalité. En effet, des charges ponctuelles ou non uniformes, dues par exemple au vent ou à la neige, sollicitent en général aussi la structure en flexion. cercle, aussi prendre la forme d une parabole, d une ellipse ou celle d une forme incurvée. L arc peut, dans ce cas, être incurvé de façon continue ou se rapprocher de la forme avec une courbe polygonale. La performance d une structure porteuse en arc dépend des appuis. On différencie les structures en arc où les appuis forment un point d intersection avec la surface du terrain de ceux qui sont posés sur des piliers. L appui des arcs sur des piliers permet de construire des halles à plusieurs nefs. Maison d habitation à Breda (NL), architectes Studio NL-D, Rotterdam La mise en charge d un arc provoque des réactions d appuis caractéristiques. La force normale agissant dans le sens de l arc transmet à l appui une composante horizontale et une composante verticale. Il en résulte: plus l arc est plat, plus la force horizontale à l appui est grande. Ces forces horizontales sont reprises par des fondations adaptées ou des tirants. Généralement les tirants sont intégrés dans le radier. Les arcs peuvent présenter des appuis articulés ou en castrés. La première solution offre au niveau des appuis un jeu qui rend l arc moins sensible aux changements de charges, aux contraintes dues aux changements de température et aux tassements du terrain. Les arcs encastrés étant plus rigides, ils sont plus sensibles à ces phénomènes. L ajout d une troisième articulation à la clé rend l arc isostatique, ce qui permet de minimiser dans une large mesure les contraintes supplémentaires indésirables. Les structures en arc ne nécessitent pas de stabilisations transversales supplémentaires. Les charges dans le sens longitudinal de la halle, c est-à-dire transversalement aux arcs, sont à dériver avec des contreventements transversaux qui sont à disposer entre les arcs. En principe on différencie entre les éléments porteurs à âmes pleines (monocouches) et les fermes (deux couches). Pour des structures porteuses filigranes des fermes sont utilisées, déjà pour de courtes portées, afin de permettre le raidissement au fléchissement. Des structures monocouches, en profilés à âmes pleines, atteignent la limite de la rentabilité avec des portées d environ 100 m. Comme le montre l exemple de Waterloo Station, il est aussi possible de former un arc comme structure avec des tirants inférieurs et supérieurs. Une autre possibilité pour construire une structure porteuse en arc rentable est de prévoir un contreventement en éventail sous l arc. Les sollicitations à la flexion à l intérieur de l arc sont de ce fait en grande partie éliminées. Une variante de la structure porteuse en arc est le toit en arc. En intégrant la structure porteuse dans l enveloppe du bâtiment on obtient une structure porteuse de surface très rentable dans laquelle par ex. deux couches de tôles trapézoïdales s appuient sur un porteur en chéneau. Les formes d arcs Les structures porteuses en arcs peuvent se présenter sous différentes formes. Elles ne se limitent pas seulement au segment de cercle déjà utilisé par les Romains et qui avaient des avantages constructifs pour l exécution des arcs en maçonnerie. Un arc peut, à part la forme d arc de 17

18 Structures porteuses Arcs articulés en profilés à âme pleine avec tirant, portée 10 m Arcs à deux articulations en profilés à caissons avec tirant, portée 73 m Arcs à trois articulations en poutres à treillis à deux membrures, portée 69 m Arc encastré à segments en poutres à treillis à deux membrures comme système de construction, portée jusqu à 90 m Arc encastré de forme elliptique en profilés à âme pleine, portée 14 m 18 steeldoc 01/12

19 Arc asymétrique à trois articulations avec poutres en profilés creux ronds avec tirants inférieurs et supérieurs, portée m, station de Waterloo, Londres Arc haubané à deux articulations en profilés creux ronds, portée 52 m Articulation du faîte d un arc à trois articulations en poutres à treillis Articulation du pied d un arc à trois articulations en poutres à treillis à deux membrures Construction en arc sur bâti comme construction porteuse de superficie à double coque (toit en voûte) avec gouttière et tirant inférieur 19

20 Structures porteuses Cité du Design, Saint-Etienne (F) Structures porteuses spatiales Propriétés portantes Les structures tridimensionnelles peuvent prendre des formes très diverses. Toutes ont cependant pour point commun de reprendre les efforts de manière aussi uniforme que possible dans deux ou trois directions, grâce à des éléments disposés dans deux ou trois dimensions. Parmi les structures spatiales, on distingue entre les structures planes et les structures courbes. Les premières sont en général sollicitées en flexion, tandis que les secondes peuvent être conçues comme des structures travaillant en flexion, en compression ou en traction. Les structures travaillant en compression présentent la plupart du temps une courbure convexe, celles travaillant en traction une courbure concave. Une structure spatiale n est vraiment efficace que si elle est sollicitée de manière uniforme dans toutes les directions. Si tel n est pas le cas, l une d elle la plus courte fonctionnera comme direction principale, l autre comme direction secondaire. Dans le cas d une grille de poutres, c est lorsque les poteaux sont disposés selon une trame carrée que les charges sont reprises de façon tout à fait uniforme. Si les poutres n ont pas la même longueur dans les deux directions, celles-ci seront sollicitées de manière inégale. Pour une meilleure répartition des efforts il est judicieux de ramifier certains piliers de manière à ce que les efforts normaux puissent être introduit depuis plusieurs jonctions de la dalle dans le pilier. Formes des structures porteuses spatiales Les structures porteuses spatiales sont les systèmes les plus efficients en ce qui concerne la quantité de matière nécessaire par mètre carré de surface couverte. La répartition, principalement en membrures en traction ou en compression, permet l exécution de structures porteuses très élancées. Les constructions économisant la matière ne sont pas pour autant plus rentable. Les différentes travées de la structure demandent des points de jonction d envergures requérant beaucoup de travail. A quoi s ajoute un investissement plus grand pour le raccordement de l enveloppe du bâtiment à la structure. Les nombreuses possibilités de combinaison d éléments porteurs permettent l exécution de structures expressives. Les structures spatiales se distinguent par le fait que leur utilisation gagne en attractivité avec l augmentation de la portée. Aucune autre structure ne permet d exprimer aussi bien l état d équilibre des forces internes. Parmi les structures sollicitées en flexion, on distingue entre les grilles de poutres et les treillis tridimensionnels. Une grille de poutres se compose de poutres entrecroisées, dont les assemblages sont rigides. Dans le cas des grilles de poutres à treillis, ce sont des poutres à treillis planes qui s enchevêtrent. On parle d un treillis spatial lorsque la membrure supérieure et la membrure inférieure sont décalées l une par rapport à l autre d un demi champ de la grille. Aussi bien la grille que le treillis spatial correspondent dans leur comportement sous la charge à une dalle. La position des appuis est déterminante pour une répartition la plus régulière possible de l effort. De bonnes conditions d appui sont données par un appui régulier des bords de dalle ou aussi par des piliers simples en retrait. Dans ce dernier cas le porte-à-faux de la dalle a comme effet de décharger le champ. 20 steeldoc 01/12

21 Détail de la structure arquée d une grille en treillis de barres de profils creux ronds Grille à plusieurs panneaux en poutres à treillis à deux membrures, portée 15 m Treillis spatial sur quatre appuis à un panneau, portée 21,6 m Grille à plusieurs panneaux en poutres à treillis sur une grille continue en traverses à âmes pleines appuyée sur des montants ramifiés en profils ronds creux, portée 36 m 21

22 Structures porteuses Système avec poutres principales et secondaires à recouvrement spatial, portée 18 m Structure en arc comme grille à barres de profils creux ronds, portée 69 m 22 steeldoc 01/12

23 3 Enveloppe du bâtiment L enveloppe du bâtiment délimite l espace intérieur proté - gé comme zone climatique indépendante de l espace extérieur. Elle forme une barrière contre le vent, la pluie et la neige, mais elle permet l incursion de la lumière du jour, le renouvellement de l air ambiant ainsi que l accès. De toutes les fonctions incombant à l enveloppe du bâtiment, tel que l intégration de portes et de portes cochères, de fenêtres et de pare-soleils, la protection du climat extérieur et de l aspect important de donner au bâtiment son image caractéristique, il est possible de traiter, ci-après, que quelque un de ces points. Protection thermique Pour des halles la surface de l enveloppe est relativement faible par rapport au volume. Il en découle des exigences relativement faibles à l isolation thermique de l enveloppe. Pendant la période de chauffage l enveloppe du bâtiment a pour fonction de réduire au minimum les pertes de chaleur de l intérieur vers l extérieur par une isolation et une étanchéité efficace. En été, au contraire, la fonction de l enveloppe est d écarter l énergie du rayonnement solaire de l intérieur de la halle. L isolation thermique en été dépend de l ensemble de la surface, de l orientation des ouvertures pour la lumière du jour ainsi que de l efficacité temporaire des pare-soleils. Pour une question d économie, les parois extérieures des halles sont la plus part du temps des constructions légères. La capacité d emmagasiner de la chaleur par la paroi extérieure n a pas une influence prépondérante pour la protection de la chaleur estivale. Protection contre l humidité Pour une fonctionnalité sans réserve de tous les éléments de la paroi extérieure une protection adaptée contre l humidité est nécessaire. Sur la surface de transition entre l espace extérieur et intérieur qui est formée par l enveloppe du bâtiment s établit une chute de température. Comme l air chaud peut absorber plus d humidité que l air froid, il se forme en plus une chute du taux d humidité de l air. Lors d une diffusion vapeur à travers la paroi extérieure, il peut se former de la condensation. Le point de rosée décrit une limite de température à laquelle l humidité de l air dépasse la valeur de saturation par rapport à la température. A l intérieur d une paroi multicoque une humidification de l isolation thermique est ainsi possible ce qui réduirait son pouvoir isolant. En plus, une humidité incontrôlée peut corroder des éléments de la paroi extérieure et la structure. Des parois monolithiques perméables à la diffusion de vapeur, p. ex. le béton cellulaire, sont comparativement sans problèmes, l humidité pouvant diffuser. Pour des parois extérieures multicoques la pose d un frein-vapeur sur la face intérieure empêche la formation de rosée dans la paroi. Pour des façades ventilées il suffit de poser un frein-vapeur sur la face intérieure. Les parois extérieures étanches à la vapeur sur les deux faces, p. ex. les éléments sandwich PUR, empêchent la diffusion vapeur. En règle générale, dans des locaux étanches à la vapeur, l humidité de l air doit être contrôlée et régulée par des mesures techniques. Protection phonique Des exigences minimales pour la protection phonique des bâtiments existent dans tous les pays européens. Dans la construction industrielle il faut en plus tenir compte des valeurs limites d émission pour le bruit. Toutes les mesures pour la protection phonique des bâtiments se basent sur trois principes physiques: Plus la masse d un élément de construction est élevée, plus la transmission sonore est faible. Dans des constructions multicoques le principe de la dissociation provoque une interruption des voies de transmissions sonores. Par l absorption le son est transformé en énergie thermique ou mécanique. Il est ainsi possible d endiguer la diffusion sonore, p. ex. d une machine, par une fondation massive (masse) ou par une désolidarisation complète de la fondation de la machine du bâtiment (coupure) ou de manière la plus efficace par des amortisseurs (absorption). Pour des sources de bruit isolées qui génèrent un fort bruit aérien il est conseillé d isoler localement la source du bruit p. ex. avec des éléments en acier composite. Pour l isolation d un niveau sonore général très élevé, des revêtements absorbants sur les parois et les plafonds sont le plus efficaces. Une mesure économique pour l isolation phonique est la pose de tôles trapézoïdales ou de ca settes trouées, car l isolation minérale se trouvant derrière peut aussi bien servir d isolation phonique que thermique. Les parois extérieures multicoques améliorent avantageusement la valeur de l isolation phonique de celles-ci. La coque intérieure, l isolation et la coque extérieure forment ainsi un système masse-ressort-masse. Des parois extérieures en construction légère qui exigent une isolation acoustique plus élevée peuvent, par la mise en place ciblée de masses acoustiques efficaces p. ex. en panneaux durs, 23

24 Enveloppe du bâtiment être améliorés pour satisfaire pratiquement à toutes les exigences phoniques. Systèmes de construction pour toits et parois 1a 1b Une possibilité évidente pour l exécution de l enveloppe d un bâtiment en construction métallique est l utilisation d éléments de construction préfabriqués industriellement en tôle fine avec des surfaces ennoblies. A ce sujet on différencie les profilés trapézoïdaux, les casettes, les profilés spéciaux et les éléments sandwich. En principe ils sont tous utilisables aussi bien en toiture qu en parois. 1c 1d Les profilés trapézoïdaux sont utilisés de préférence com - me coque porteuse intérieure pour la construction de la toiture, alors que les casettes, en règle générale, forment la coque intérieure des parois extérieures. Ce sont des éléments qui peuvent être soumis à la flexion et qui sont pourvus d isolation thermique. Pour la construction de la coque extérieure du toit et des parois, soumise aux intempéries, on peut utiliser des tôles trapézoïdales et toute une série de tôles spéciales. Dans les éléments sandwich un noyau en mousse polyuréthane établit en général une liaison résistante au cisaillement entre la coque intérieure et extérieure, de manière à réunir les fonctions d isolation thermique et porteuses en un élément. Les éléments sandwich peuvent par ce fait être utilisés aussi bien dans la toiture que dans les parois. Dans la construction multicouche des parois extérieures d autres matériaux peuvent assumer des fonctions partielles au sein de l enveloppe du bâtiment. L industrie offre un large assortiment de profilés en tôle et d éléments de construction pour le toit et les parois. 2a 2b Fig. 1a d: Construction de parois en éléments sandwich plans et profilés, en panneaux et en isolation thermique posée librement entre deux coques en tôle. Fig. 2a d: Construction d une paroi en casettes métalliques isolées avec des panneaux en fibres minérales et un bardage en tôle ondulée ventilé. 2c 2d 24 steeldoc 01/12

25 Eclairage Les halles sont éclairées naturellement par des vitrages muraux dans les parois ou des lanterneaux dans le toit. Le terme éclairement lumineux permet de mesurer la clarté. Il est par ce fait un paramètre important pour la planification de la lumière. L éclairement lumineux est défini par le flux lumineux qui apparait sur 1 m 2 de surface de halle. L éclairement lumineux s exprime en Lux. Des éclairements lumineux courants sont à Lux par temps ensoleillé et 5000 Lux par temps couvert. L éclairement lumineux dans des locaux varie de 30 à 2000 Lux en fonction des exigences de l activité. En règle générale un éclairement de 500 Lux est suffisant sur les lieux de travail. Dans l habitation 50 Lux sont suffisant et un éclairage de rue livre 5 Lux. On mesure 0,5 Lux à la pleine lune. Les dessins des images 1 4 montrent les possibilités d éclairage avec la lumière du jour d une halle. La luminosité relative est représentée pour différentes ouvertures pour la lumière du jour sous forme de ligne du quotient de la lumière du jour. Le quotient de la lumière du jour dépend comme mesure pour l exploitation de la lumière de la disposition des ouvertures pour la lumière du jour. Il indique le pourcentage de l éclairement lumineux existant à l extérieur qui peut être mesuré à l intérieur de la halle. Les représentations schématiques montrent comme l éclairement lumineux de la lumière du jour pénétrant latéralement diminue avec l augmentation de la distance depuis la paroi extérieure et comme avec des ouvertures pour la lumière du jour dans la toiture on peut assurer un éclairage régulier Lanterneaux ponctuels avec schéma de répartition de la lumière du jour 2 Lanterneaux linéaires avec schéma de répartition de la lumière du jour 3 Bandes de fenêtres avec schéma de répartition de la lumière du jour Sheds, avec schéma de répartition de la lumière du jour 25