Bâtiment industriel B. Braun Médical SA

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1 Bâtiment industriel B. Braun Médical SA Travail de diplôme 2008 Filière génie civil Mémoire technique Professeurs : T. Delémont E. Tonicello UER 1 Construction et Environnement Moullet Nicolas Diplôme

2 Table des matières 1. Introduction Base du projet Situation du projet Ouvrages analogues Les variantes du projet Variante 1 (construction métallique) Variante 2 (construction métallique) Variante 3 (construction métallique) Variante 4 (béton armé) Variante retenue Description de la structure Plancher sur rez-de-chaussée et 1 er niveau Plancher sur 2 ème niveau Toiture Système de poteaux Système de stabilisation Accès poids lourds Dimensionnement de la structure Généralités Séisme Incendie Conclusion... 7 Moullet Nicolas - Tél. : +41(0)79 / Page : 1 / 7

3 1. Introduction L objet de ce travail de diplôme 2008 en construction métallique, est la réalisation d un bâtiment industriel pour la société B. Braun Médical SA, dans le cadre d un agrandissement du complexe existant sur leur site de Lausanne. Ce projet se situe plus précisément sur la commune de Crissier au nord de Lausanne dans la zone industrielle de Sorge. Le Maître d ouvrage est donc la société B. Braun Médical SA (société pharmaceutique) qui souhaite créer une nouvelle enceinte de production sur ce site. Cette société pharmaceutique existe depuis 1973 en Suisse et à construit son centre de production existant à Crissier en Ce centre de production à Crissier est appelé le "Center of Excellence" pour les solutions de remplissage vasculaire et les systèmes adaptables de poches souples pour l'alimentation parentérale et perfusions médicamenteuses. 2. Base du projet Le but de ce travail était donc d étudier la construction d un bâtiment industriel en construction métallique sur une parcelle d environ m 2. La surface du bâtiment est d'environ 36 x 115 m (4140 m 2 ), avec un entre axe transversal de 12 m et longitudinal de 9.60 m. Les axes étaient déjà définis pour ce projet, il était indispensable de les respecter. Ce bâtiment comprend 4 niveaux hors-sol, divisés en deux étapes de construction. Une première étape qui consiste à réaliser les fondations du bâtiment et la construction des deux premiers niveaux, et une deuxième étape qui serait l adjonction de deux niveaux supplémentaires (voir figure 1). Cette deuxième étape doit être prise en compte évidemment pour le calcul de la structure, mais elle n est pas encore déterminée au niveau du temps. Le Maître d ouvrage se réserve la possibilité dans quelque temps de 3 ème pouvoir agrandir ce nouveau complexe. Il est très important de prendre en compte ce critère dès le début de la conception de l'ouvrage tant au 2 ème Légende: niveau architectural qu'au niveau structurel, ceci principalement dans le but d'optimiser les coûts de construction. Car si l'on construit un bâtiment 1 er 1 er étape sur 2 niveaux qui n'est pas du tout prévu pour accueillir encore deux Rez niveaux supplémentaires tant au niveau architectural qu'au niveau 2 ème étape structurel, de nouveau cela engendre de gros coûts de construction Figure 1 Etapes de construction supplémentaire. - Rez-de-chaussée, 1 er et 2 ème niveau : Surface de production / charge utile = 20 kn/m 2 Cat. E (SIA 261) - 3 ème niveau : Surface de bureaux et locaux techniques / charge utile = 5 kn/m 2 Cat. B (SIA 261) - Toiture : inaccessible sauf pour travaux de maintenance / charge utile de 0.4 kn/m 2 Cat. H (SIA 261) Légende : Zone accessible aux poids lourds Figure 2 Vue en plan des axes du projet Moullet Nicolas - Tél. : +41(0)79 / Page : 2 / 7 Au rez-de-chaussée, la zone située entre les axes 4 et 5 doit permettre l'accès aux poids lourds jusqu'à 40 tonnes. Pour ce faire un accès libre de piliers doit être aménagé entre les axes K et M sur l'axe 5 (voir sur la figure 2). Afin de pouvoir créer une sorte de quai de déchargement, un décrochement sera réalisé entre le radier de cette zone accessible aux poids lourds (surface hachurée sur la figure 2) et le reste du rez-dechaussée. La différence sera d'environ 1.20 m. Cet élément engendre deux contraintes supplémentaires, tout d'abord, on a donc une hauteur statique plus grande sur cette façade (ce qui n'est pas négligeable avec 1.20 m et de grandes charges) et de plus les chocs doivent aussi être pris en compte sur les piliers de l axe 5. Les fondations du bâtiment ont été calculées par un bureau d étude en géotechnique. Ils ont déterminé que la qualité du terrain était moyenne, et par conséquent au vue des grandes charges appliquées sur le terrain la nécessitée de travailler avec des pieux forés (sous chaque pilier) et un radier général. Les diamètres des pieux seront de 600 mm et de 1300 mm. Les pieux travaillent ici au frottement et non en pointe, ce qui permet en l occurrence de reprendre également un effort de traction. Le radier général fera 30 cm d épaisseur. Avec un système de pieux, il n'est pas évident de créer un encastrement pour un pied de montant, c'est pourquoi le système statique des poteaux choisi correspond à une articulation au niveau de la fondation.

4 Exigences particulières du Maître de l ouvrage : o Une construction métallique, sans pour autant exclure les solutions faisant appel à d autres matériaux, o Construction du bâtiment en deux étapes avec la possibilité de pouvoir exploiter le 1 er niveau durant la surélévation du bâtiment, o Une hauteur utile d au minimum de 3.80 m pour tous les niveaux, o Une résistance R60 vis-à-vis de l incendie pour tous les niveaux, sauf le 3 ème niveau où il n y a pas d'exigences particulières, o Flèche limitée à L/500 pour tous les niveaux sauf la toiture qui est à L/350 vis-à-vis de l aptitude au service, o La possibilité de faire passer une gaine technique (CVSE) de 2.50 m par 1.40 m (3.5 m 2 ) dans la travée centrale au rez-de-chaussée et au 1 er niveau. 3. Situation du projet Ce projet se situe donc sur la commune de Crissier VD au nord de Lausanne, non loin de l'autoroute A9. Comme déjà mentionné auparavant il existe sur la parcelle voisine déjà un complexe appartenant à la société B. Braun Médical SA. L implantation du nouveau bâtiment ressort sur la figure 4 (en rouge). La parcelle est à une altitude de m. L'accès durant le chantier par les camions se fera comme indiqué sur la figure 4. On peut constater qu il a deux accès possibles qui seront utilisés suivant les phases de construction (flèches). Figure 3 Plan de la Suisse romande Légende: Situation du projet en Suisse romande Complexe existant (société B. Braun Médical SA) Nouveau bâtiment (projet) Accès au chantier (suivant les phases de construction) 4. Ouvrages analogues Figure 4 Implantation du nouveau bâtiment Il n'y a pas de problème d'accès, que ce soit pour les voitures légères ou pour les poids lourds. De plus, durant la construction l'accès à des engins de levage est entièrement possible, ce qui facilite la contrainte de montage, surtout pour la construction métallique. Pour la conception de ce bâtiment, il a été nécessaire d étudier différents ouvrages analogues. Ceci a permis d établir par rapport au présent projet, les avantages et inconvénients des différents ouvrages analogues et de pouvoir partir sur une base solide pour la conception de la structure du bâtiment. Pour les ouvrages analogues il était intéressant d avoir des bâtiments industriels (pharmaceutiques) et si possible avec des charges utiles assez élevées ce qui est le cas de ce projet (20 kn/m 2 ), afin de pouvoir bien comparer les différentes structures et de se rapprocher au maximum du projet. Voici en résumé les différents ouvrages analogues étudiés : Ferring Pharmaceuticals VD Rolex industrie GE Fiedler SA GE Moullet Nicolas - Tél. : +41(0)79 / Page : 3 / 7

5 Remarque : On a pu constater que dans tous ces ouvrages analogues l utilisation du béton en mixte ou tout seul était indispensable par rapport aux planchers. Ces différentes structures sont toutes contreventées par un noyau en béton et parfois aussi avec un système de croix de St-André (métal). 5. Les variantes du projet Au stade de l avant projet 4 variantes on été présentées au Maître de l ouvrage, afin de pouvoir développer différents types de structure par rapport aux contraintes posées. Voici une description sommaire de ces variantes : 5.1. Variante 1 (construction métallique) Le système statique de cette variante est similaire à des cadres rigides sur toute la largueur dans le sens primaire (axes 2-5) et des poutres simples dans le système secondaire (axes A-M). Cependant afin de reprendre également les efforts horizontaux dans le sens secondaire on crée un noyau rigide au centre de la longueur (axes F-G-H) sur toute la hauteur (système cadre également). Il est placé au centre dans le but de diviser la longueur de la dilatation en deux, car le problème de la dilation sur m de long n est pas négligeable (pas de joint de dilatation). Les planchers des différents niveaux sont des dalles mixtes sauf pour le dernier niveau ou il y a une simple toiture légère. Les dalles mixtes assurent le contreventement horizontal du bâtiment. Les piliers sont aussi en mixte acier-béton afin d avoir des sections raisonnables vis-à-vis des charges et de la résistance au feu Variante 2 (construction métallique) Le système statique de cette variante est un système articulé dans les deux directions, primaire et secondaire. Dans le système primaire (axes 2-5), on travaille avec une poutre continue. Dans le système secondaire ce sont des poutres simples (axes A-M). Les planchers des différents niveaux sont des dalles mixtes assurant le contreventement horizontal, sauf pour le dernier niveau ou il y a une simple toiture légère. Les piliers sont aussi en mixte acier-béton afin d avoir des sections raisonnables vis-à-vis des charges et de la résistance au feu. Un système de croix de St-André vertical et en toiture assure le contreventement du bâtiment en plus des dalles mixtes. Le contreventement est placé au centre dans le but de diviser la longueur de la dilatation en deux Variante 3 (construction métallique) Le système statique de cette variante est un système articulé dans les deux directions, primaire et secondaire. Dans le système primaire (axes 2-5), on travaille avec un système de treillis sur chaque travée. Le système secondaire (axes A-M) est composé de poutres appuyées sur 4 appuis dans le but de créer une certaine continuité. Les planchers des différents niveaux sont des dalles mixtes sauf pour le dernier niveau ou il y a une simple toiture légère. Les dalles mixtes assurent le contreventement horizontal du bâtiment. Les piliers sont aussi en mixte acier-béton afin d avoir des sections raisonnables vis-à-vis des charges et de la résistance au feu. Un système de croix de St-André vertical et en toiture assure le contreventement du bâtiment en plus des dalles mixtes. Le contreventement est placé au centre dans le but de diviser la longueur de la dilatation en deux Variante 4 (béton armé) Cette variante est en béton armé. Pour les dalles sur rez-de-chaussée, sur 1 er et sur 2 ème le système porteur est composé de sommiers précontraints dans les deux sens sur les axes des poteaux, sur lesquels vient poser une dalle caissonée. Le système statique de la dalle caisson (gagner du poids propre) correspond à une dalle appuyée sur 4 côtés linéairement (mur). Les poteaux sont des systèmes ORSO-B par exemple, poteaux circulaires préfabriqués qui permettent d'avoir une très grande résistance à la compression (f cd = ~ N/mm 2 ). Le contreventement du bâtiment est assuré par des noyaux en béton (cages d escaliers) Variante retenue De manière générale on peut conclure que les variantes métalliques sont plus adaptées pour ce genre de bâtiment, par rapport à un bâtiment en structure béton armé, car il est nécessaire d'avoir une structure légère. Le coût de la construction est aussi plus faible avec les variantes métalliques. De plus il est intéressant vis-àvis du problème de séisme qui tient compte du poids du bâtiment, d'avoir une structure légère et un système moins rigide que le béton. Comme on pourra le constater dans la description de la structure, la variante retenue correspond à un "mixte" des variantes métalliques proposées. Moullet Nicolas - Tél. : +41(0)79 / Page : 4 / 7

6 6. Description de la structure 6.1. Plancher sur rez-de-chaussée et 1 er niveau On travaille avec un système mixte acier béton. Une dalle mixte avec un système de prédalle comme coffrage, le système de prédalle étant un bon moyen de franchir les portées de 3 m au maximum sans avoir besoin d un étayage supplémentaire. Les prédalles intégreront déjà une partie des aciers porteurs nécessaire à la résistance du plancher. Les prédalles participeront donc à la résistance de la dalle mixte au stade définitif. Dans le sens primaire (axes 2-5) on travaille avec un système de treillis métalliques de m de long et une hauteur statique de 1.80 m, avec une forme particulière afin de pouvoir respecter l exigence vis-à-vis des CVSE comme on peut le voir sur la figure 5. La géométrie du treillis a fait l objet d une étude de sousvariante afin de déterminer la meilleure possibilité pour intégrer la contrainte des CVSE et de franchir la porté de m. Ce système de treillis à l avantage, grâce à la hauteur statique, de pouvoir reprendre de grandes charges avec une structure relativement légère. Figure 5 Schéma du système treillis Au niveau du système secondaire, on travaille avec un système de poutres simples ajourées "cellulaires" entre les treillis (axes A-M). Ce système permet également de franchir la portée de 9.60 m sans difficultés et de réduire le poids propre de la structure considérablement. Cela permet aussi le passage des équipements techniques (conduits, gaines) à travers les ouvertures. Les poutrelles alvéolaires sont obtenues à partir de poutrelles H laminées à chaud découpées suivant une ligne spécifique. Les 2 éléments T qui en résultent sont reconstitués par soudage. Il est facile, au cours du processus de fabrication, de galber les deux T avant reconstitution pour obtenir, sans surcoût notable, une poutre alvéolaire contreflèchée ce qui a été très utilisé dans ce projet afin de pouvoir respecter les contraintes élevées vis-à-vis de l'aptitude au service (L/500). Dans ce projet on a également utilisé la possibilité d'utiliser des poutres dissymétriques (profilé différent en haut et en bas) qui sont particulièrement bien adaptées au fonctionnement mixte. Cela permet de gagner des kg d'acier sur les ailes supérieures qui ne sont pas intéressantes quand on travaille dans une structure mixte. Le système primaire et secondaire étant au même niveau (côte supérieur), les deux systèmes travaillent en mixte afin d'optimiser la structure. Le fait de travailler aussi en mixte pour le treillis nous diminue considérablement les sections de ce dernier Plancher sur 2 ème niveau Pour ce plancher on travaille également avec une dalle mixte avec un système de coffrage de prédalles avec les mêmes caractéristiques que pour les planchers inférieurs. La charge utile étant pour cette dalle de 5 kn/m 2 (surface de bureaux), il a été possible de travailler avec un système de poutres simples ajourées "cellulaires" dans le sens primaire (12 m de long) et secondaire (9.60 m de long). Ce système de poutre cellulaire dans ce cas nous a permis de pouvoir franchir ces grandes portées, de réduire le poids propre de la structure, de pouvoir faire passer la techniques à travers les ouvertures, et enfin de pouvoir respecter les conditions élevées vis-à-vis de l'aptitude au service (L/500). On a également utilisé dans le cas des solives (système secondaire), la possibilité de créer des poutres dissymétriques. Le système primaire et secondaire étant au même niveau les deux travaillent donc en structure mixte avec le béton Toiture Pour la toiture, un système de poutres continues dans le sens primaire et secondaire a été choisi. Le système principal avec une poutre continue sur 4 appuis ce qui donne environ une longueur de 36 m de long, il faudra donc par conséquent scinder la poutre en deux parties pour le transport. Le système secondaire sont des poutres continues sur 3 appuis ce qui donne 19.2 m de long. La charge permanente et la surcharge de la toiture n'étant pas très élevée, il est possible de travailler avec des profilés laminés conventionnels sans avoir des trop grosses sections. Une tôle sera posée sur le système secondaire. Moullet Nicolas - Tél. : +41(0)79 / Page : 5 / 7 Figure 6 Système de fabrication

7 6.4. Système de poteaux Pour tous les niveaux, les poteaux seront des poteaux mixtes avec des sections de profilés différents évidemment. Ce seront des profilés dont les ailes sont remplies de béton, cela signifie qu'ils ne sont pas entièrement enrobés de béton (voir figure 7). Ce système de poteaux permet de reprendre plus facilement des grandes charges avec des sections de profilés raisonnables. De plus ce système permet d'obtenir sans trop de difficultés une résistance R60 au feu qui est en l'occurrence l'exigence dans ce projet. Il est aussi facile à réaliser car aucun coffrage à part des arrêts de bétonnages dans le profilé ne sont nécessaires. Par rapport aux différents stades de construction du projet (2 étapes), les poteaux seront continus sur deux étages, ceci correspond donc aux différentes phases de construction. Figure 7 Schéma poteau mixte Le système statique à considérer pour le calcul des poteaux sera identique à une poutre continue avec des appuis transversaux créés par le contreventement et en pied de poteau une articulation (a cause du système de fondation). Ce que l'on peut encore dire, est que les poteaux de l'axe 5 n'ont pas eu besoin d'être calculé avec le choc, car un système caisson en béton a été imaginé afin de reprendre cet effort Système de stabilisation Les différentes variantes choisies pour les étages ne sont pas stables dans les deux directions, car nous n'avons pas de système cadre. Il est donc nécessaire de créer un contreventement avec deux systèmes de croix de St-André sur la face long pan (deux systèmes afin d'avoir des profilés plus petit, car les efforts sont conséquents) et un système de mur voile ou cage d'escalier sur la face pignon. Sur cette face il est de toute façon prévu d'avoir une structure béton, de plus au vue des efforts, il est plus raisonnable de reprendre les efforts horizontaux par un système béton plutôt qu'avec des croix de St-André. Pour les niveaux avec des dalles mixtes, ce sont les dalles béton qui repartissent les efforts sur les contreventements de façades. Par contre pour la toiture il est nécessaire de créer également un système de croix de St-André dans les deux directions afin de transmettre les efforts aux contreventements de façades. Légende : Contreventement face long pan Contreventement de toiture Mur voile face pignon Dalle béton Figure 8 Schéma du système de stabilisation La figure 8 permet de bien comprendre le système de contreventement du bâtiment adopté pour ce projet. Sur cette axonométrie, on peut remarquer que le contreventement longitudinal utilise deux travées et celui transversal une seul travée, cela vient du fait que le rapport d'élancement sur la grande longueur oblige d'avoir une hauteur statique assez grande afin d'avoir une petite déformation Accès poids lourds Afin de pouvoir supprimer un poteau au niveau de l'axe 5 au rez-de-chaussée et de pouvoir créer un accès pour les poids lourds, un système de treillis avec une hauteur statique correspondant à un étage (environ 6 m) a été utilisé. Ce système était le seul qui permettait sur une aussi grand portée (19.2 m de long) de reprendre l'effort du pilier (avec tous les étages dessus car plancher sur rez-de-chaussée) et d'avoir une déformation qui respecte les exigences. Moullet Nicolas - Tél. : +41(0)79 / Page : 6 / 7

8 7. Dimensionnement de la structure 7.1. Généralités La structure du bâtiment à été calculé par rapport aux normes SIA 2003, et avec l'aide de différents programmes. Le programme SCIA Engineer 2008 pour les calculs des structures (treillis mixte). Pour les poutres cellulaires, un programme fourni par ArcelorMittal a été utilisé. Pour les poteaux mixtes également un programme fourni par ArcelorMittal a été utilisé. Ces programmes ont bien évidemment fait l'objet d'une vérification afin de pouvoir déterminer s'ils correspondaient aux normes suisses avec quelques modifications, car ils étaient conçus sur la base de l'eurocode. Pour les calculs des différents planchers mixtes il a été nécessaire de bien faire la distinction entre le stade définitif et le stade de construction par rapport à l'aptitude au service et à la sécurité structurale. On a pu remarquer que dans le calcul des différents éléments de structure, c'était l'aptitude au service qui était déterminante la plupart du temps. Cela pour deux raisons, la première étant l'exigence élevée vis-à-vis des flèches et la deuxième les charges utiles élevées avec des portées relativement grandes. Les qualités d'acier S235, S355 et S460 ont été utilisées pour ce projet. La qualité S460 a été utilisé uniquement dans les cas où l'on avait un réel gain au niveau du coût Séisme La classe de sol de fondations sur laquelle on se situe sur le site du projet est la "E". Pour le calcul final un système ductile à été utilisé avec q = 4.0. Ceci dans le but de réduire considérablement les efforts vis-à-vis d'un système non ductile (q = 1.5). Il a donc fallu respecter certaines conditions données par la norme SIA 263 pour un calcul ductile. Les assemblages doivent être dimensionnés pour une valeur de résistance supérieure de 20 % à celle des éléments assemblés. On augmente de 20 % d'une part pour prendre un coefficient de sécurité et ensuite prendre en compte la qualité d'acier livré par les entreprises qui est souvent supérieure aux valeurs utilisées pour le calcul. L'élancement de référence des barres diagonales doit être limité entre λλ kk [ ], ceci afin de prévenir un flambage élastique Incendie Calculs des poteaux Les poteaux mixtes ont été calculés par rapport à une résistance vis-à-vis de l'incendie de R60 suivant une courbe ISO. On a d'ailleurs pu constater que le calcul à chaud a été déterminant pour la plupart des poteaux. Calculs de la structure Pour la structure un système de sprinkler a été prévu ce qui réduit la résistance nécessaire à R30. De manière générale pour le calcul de la structure, on est parti sur un calcul à chaud par rapport à un feu naturel avec une température critique de Θ crit = 650 C. De plus, par rapport à la documentation de la SZS tec 02 (annexe 1) on a déterminé qu'il était possible d'utiliser l'effet de membrane pour le calcul de la structure à chaud grâce aux dalles mixtes. 8. Conclusion En conclusion on peut dire que les systèmes statiques de la structure qui a été retenue, étaient les bonnes solutions, car par rapport aux calculs on peut s'apercevoir qu'il a été possible de trouver une structure relativement légère, en partie grâce aux poutres ajourée et au treillis. Le système mixte permet aussi d'utiliser le béton en compression et l'acier en traction, ce qui est optimal. La construction métallique pour ce genre de bâtiment permet une plus grande flexibilité par rapport au bâtiment béton. Cela permet de pouvoir transformer le bâtiment ou de changer d'utilisation sans trop de problème. Les dalles mixtes ont aussi apporté un plus vis-à-vis de la phonique du bâtiment. Nicolas Moullet Genève, Moullet Nicolas - Tél. : +41(0)79 / Page : 7 / 7