Phase avant-projet : Conception de portiques en Profilés Reconstitués par soudage

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1 Phase avant-projet : Conception de portiques en Profilés Reconstitués par soudage Ce document fournit des informations sur la conception de portiques constitués de Profilés Reconstitués par soudage pour des bâtiments courants à usage industriel ou commercial Contents 1. Utilisation habituelle de ce mode de construction 2 2. Choix d une solution portique 2 3. Intérêt des Profilés Reconstitués Soudés 3 4. Dimensionnement des sections 4 5. Cas pratiques 5 6. Matériaux, fabrication, transport et montage 7 7. Attaches 8 Page 1

2 1. Utilisation habituelle de ce mode de construction Les portiques constituent bien souvent l ossature principale des bâtiments industriels et commerciaux, des entrepôts, des halls de gare et parfois des installations sportives nécessitant de réaliser des volumes importants. Pour ces bâtiments «légers» ou «moyennement lourds», l acier se présente comme un principe constructif simple et économique tout en autorisant des choix architecturaux audacieux. On peut également utiliser les portiques pour stabiliser les bâtiments plus conséquents relevant de l industrie lourde, et notamment dans les halls d aciéries et les centrales de production d électricité. 2. Choix d une solution portique Un certain nombre de paramètres influent sur la conception des portiques. Les concepteurs peuvent utiliser des produits laminés, des éléments reconstitués soudés (PRS), des structures treillis, ou des structures combinant ces types d éléments. Parmi ces paramètres, les plus importants sont : la portée entre poteaux la grandeur et le type de charges appliquées (statique, dynamique dans le cas par exemple de ponts roulants etc.) l aspect architectural la hauteur disponible sous jarrets le coût relatif d une solution par rapport à une autre En règle générale, on retiendra que les portiques PRS trouvent tout leur intérêt dans le cas : de solutions constructives très standardisées où la réduction du poids d acier et les économies liées à une production en série permettent de compenser le surcoût de fabrication. Des systèmes constructifs «optimisés» pour des solutions courantes, font ainsi l objet d une compétition acharnée. de grandes portées où le recours aux profilés laminés n est pas économique et pour lesquelles le choix de traverses treillis n est pas souhaitable en raison de leur grande hauteur par exemple. de sollicitations importantes, où le choix de profilés laminés est, soit exclu en raison de l importance des charges appliquées, soit rédhibitoire car il conduirait à un espacement entre portiques réduit. Des solutions mixtes existent et l on peut citer les cas courants de : poteaux PRS avec traverses treillis dans le cas de grandes portées Page 2

3 poteaux PRS avec traverses en profilés laminés pour les halls industriels de faibles portées où des ponts roulants manutentionnent des charges lourdes Photo: Jean-Pierre Muzeau Copyright APK Figure 2.1 Vue générale d un bâtiment en construction et constitué de portiques en PRS 3. Intérêt des Profilés Reconstitués Soudés 3.1 PRS versus Profilés Laminés Par rapport aux profilés laminés classiques, les éléments PRS permettent pour les moyennes portées d alléger les sections en les ajustant strictement aux sollicitations. Ceci n est évidemment pas possible avec les gammes de profilés laminés. Ainsi, il peut être envisagé, tout en conservant un gabarit extérieur identique, de réduire la section d âme dans les zones de faible effort tranchant, ainsi que de réduire les épaisseurs de semelles dans les zones de moments de flexion réduits. Il en résulte une réduction de poids significative au détriment cependant d opérations de raboutage des éléments d âme et de semelles d épaisseurs différentes. L utilisation des sections PRS ou en treillis devient par ailleurs incontournable dans le cas de portées importantes et de charges lourdes pour lesquelles les profilés laminés du commerce sont inadaptés. 3.2 Profilés reconstitués soudés versus Poutres treillis Par rapport aux poutres en treillis, l utilisation des PRS est plus esthétique. Ils permettent de réduire la hauteur, conduisant de ce fait à une réduction du volume du bâtiment. Par ailleurs la Page 3

4 réduction du nombre d assemblages à réaliser et leur simplicité permet, pour des portées moyennes, d être en général plus économiques. A contrario, la solution «treillis» permet un passage plus facile des conduites et canalisations du fait de la hauteur disponible. 3.3 Choix entre éléments à inertie constante ou variable Nous distinguerons deux types d éléments PRS : Les éléments PRS à gabarit constant, d épaisseurs éventuellement variables. L épaisseur peut généralement varier mais les changements d épaisseurs peuvent être limités aux zones d assemblages nécessitant des renforcements. Les éléments PRS à hauteur et parfois largeur variables. D autres types de sections sont également envisageables parmi lesquelles les profilés à semelles dissymétriques où la semelle comprimée est élargie de manière à améliorer sa stabilité au déversement. Il faut cependant souligner que les sections dissymétriques et les sections à largeurs variables nécessitent des équipements spéciaux pour réaliser une fabrication avec une productivité satisfaisante. Les cas des sections dissymétriques ou à largeurs variables ne sont pas traités dans ce document. 4. Dimensionnement des sections 4.1 Généralités Le dimensionnement des sections est principalement lié aux moments de flexion déterminés à l issue d un calcul élastique linéaire. De façon à optimiser les sections, on choisit les profilés PRS dont les caractéristiques d inertie permettent de suivre au mieux les variations du diagramme du moment de flexion ce qui peut se faire dans les zones de moments de flexion importants: soit en augmentant la hauteur d âme soit en augmentant l épaisseur des semelles soit une combinaison de ces deux possibilités. Pour les sections soumises à des sollicitations statiques, il est d usage de prédimensionner les sections en considérant que : - les semelles résistent au moment de flexion - l âme résiste à l effort tranchant. 4.2 Dimensions / proportions des sections Sans discuter de l aspect architectural et esthétique, il est judicieux de concevoir les poutres PRS de hauteur plus importante que les sections laminées, de manière à minimiser les sections des semelles pour résister à un moment de flexion connu. Page 4

5 De même, pour une section de semelle requise, il est intéressant de considérer les semelles les plus larges possibles de manière à résister de manière optimale au déversement. L âme résiste essentiellement à l effort tranchant et sa hauteur est choisie la plus grande possible pour minimiser le dimensionnement des semelles pour un moment de flexion donné. Enfin pour une section donnée, l épaisseur d âme sera choisie aussi mince que le permet la résistance réduite au cisaillement compte tenu du phénomène de voilement. Tout le problème pour dimensionner de manière optimale des éléments PRS consiste alors à trouver le meilleur compromis entre les dimensions extérieures des sections (hauteur largeur) et l élancement des parois constitutives, tout en considérant les phénomènes d instabilité d ensemble (maîtrisés le plus souvent par des dispositions constructives adéquates) ou locaux (raidissages nécessaires au droit de charges localisées importantes etc.) 4.3 Classement des sections L expérience a montré que le dimensionnement le plus économique des portiques en PRS est obtenu en utilisant la théorie élastique, sans prendre en compte de redistribution plastique, et sans même se référer à la résistance plastique. Les critères suivants sont utilisés : on choisit les semelles de classe 3 pour lesquelles les semelles comprimées sont supposées atteindre la limite élastique on choisit les âmes de classe 4 de manière à alléger le poids de la structure. Le cisaillement est habituellement faible et peut être repris par une telle section dans le domaine postcritique. Les charges localisées nécessitent une attention particulière; mais les raidisseurs d âme seront si possible évités, quoique pour des charges localisées importantes, ils puissent être nécessaires. 4.4 Instabilités propres liées aux sections PRS Si les sections PRS permettent d alléger de manière significative le poids des structures, il importe de noter que le rapport des inerties I y / I z selon les deux axes principaux est nettement plus important que dans le cas de profilés laminés classiques. Ce type de section est donc plus sensible aux phénomènes d instabilité hors plan. Ce fait influe sur la conception générale. Par exemple, il peut être nécessaire de maintenir le déversement d une semelle comprimée au droit de chaque panne, et non pas au droit d une panne sur deux comme il aurait pu être nécessaire en ayant recours à des profilés laminés classiques. 5. Cas pratiques 5.1 Proportions courantes Pour aider au prédimensionnement, on peut considérer les proportions suivantes : La hauteur courante h des éléments PRS est de l ordre de L/30 pour la traverse (où L représente la portée) où H/10 pour les poteaux (où H représente la hauteur du poteau). La largeur b des semelles est habituellement proportionnelle à la hauteur. Soit : Page 5

6 h/5 b h/2 L épaisseur d âme se situe entre h/150 et h/100, les plus fortes épaisseurs étant notamment utilisées dans la hauteur de l encastrement poutre poteau (jarret) où l accroissement d effort tranchant est lié à la variation importante du moment de flexion. A noter que des élancements d âme plus importants peuvent également être rencontrés, mais nécessitent une analyse plus approfondie des phénomènes d instabilité, une fabrication plus soignée, et certaines précautions lors des phases de manutention levage de ces pièces à parois élancées. Exemple d un cas courant: Ainsi les dimensions classiques des éléments d un portique de 25 m de portée pourraient être les suivantes : Portée: Hauteur d âme: Epaisseur d âme: Largeur de semelle: L = 25 m h = 800 mm 6 mm en partie courante et 8 mm au jarret. b = 200 mm Epaisseur de semelle: 10 mm La gorge des cordons de soudure de liaison âme semelle est de l ordre de 3 à 4 mm. 5.2 Ordres de grandeur Pour se fixer les idées, on peut considérer les dimensions limites suivantes : Tableau 5.1 Largeur maximale en mm pour une semelle de Classe 3, en fonction de son épaisseur et de sa nuance d acier Epaisseur (mm) Largeur maximale en fonction de la nuance d acier S235 S275 S355 S Page 6

7 Tableau 5.2 Hauteur d âme en mm en fonction de l épaisseur et de l élancement Hauteur d âme (mm) en fonction du rapport hauteur/épaisseur Epaisseur (mm) h w / t w = 100 (*) h w / t w = 120 (**) h w / t w = 140 h w / t w = (*) L élancement limite en flexion des âmes de classe 3 pour f y = 355 N/mm² est h w / t w = (**) L élancement limite en flexion des âmes de classe 3 pour f y = 235 N/mm² est h w / t w = Matériaux, fabrication, transport et montage 6.1 Nuance d acier Le choix des nuances d acier dépend de multiples paramètres et notamment des charges appliquées et des critères de déformation. De manière générale : lorsque le critère de déformation est sévère (par exemple limitation du déplacement horizontal en tête de poteau pour le bon fonctionnement de ponts roulants par exemple), il est nécessaire de privilégier une inertie importante, ce qui, avantage l acier S235 ou S275 par rapport au S355 dans le cas de charges lourdes, sans condition restrictive particulière sur les déformations, et lorsque la conception est telle que les phénomènes d instabilité sont maitrisés, il est judicieux de choisir la nuance S355. Il peut être également judicieux de réaliser des sections hybrides mélangeant les deux nuances de manière à optimiser le prix. On peut ainsi envisager des sections PRS avec : les semelles en S355 l âme en S235 ou S Fabrication des sections La fabrication de PRS nécessite l achat de plats de largeurs standardisées, coupés à la largeur requise chez des grossistes spécialisés, ou de couper en ateliers (oxycoupage découpe laser ) ces plats dans des tôles de plus grandes dimensions en cherchant à minimiser les chutes. En fait tout dépend des moyens de production des ateliers et du différentiel de prix entre l achat de plats aux dimensions finies requises ou la découpe de ces plats à partir de tôles, nécessitant des opérations de manutention supplémentaires. Page 7

8 Profilés droits Les PRS classiques sont constitués d une âme et de deux semelles habituellement identiques de manière à obtenir un profilé doublement symétrique. Chaque semelle est soudée sur l âme au moyen de 2 cordons d angles dimensionnés pour reprendre l effort rasant. Cette opération est habituellement réalisée en trois étapes : l âme étant disposée à plat, on présente de part et d autre les deux semelles et on dépose un cordon d angle continu on retourne la pièce on dépose les 2 autres cordons d angle Dans le cas de sollicitations statiques, il est possible d attacher la semelle et l âme par un seul cordon d angle continu en partie courante, hors des attaches et des zones d efforts tranchants importants. Près des attaches et lorsque les contraintes de cisaillement le nécessitent, la section est retournée et des cordons d angle symétriques sont réalisés. Le cordon d un seul côté est à proscrire dans le cas de sollicitations dynamiques. Profilés à rayon de courbure ou avec changement d orientation. Pour les éléments à inertie variable où dont une semelle est cintrée, le changement de direction de cette semelle engendre une composante de traction ou de compression à la jonction âme semelle. Il importe d en tenir compte pour dimensionner ces cordons d angle, ou de rajouter si nécessaire des raidisseurs. 6.3 Manutention en atelier, lors du transport ou du montage Pour les éléments très élancés et de grande portée, il importe d examiner avec soin les conditions de transport et de manutention. Il est particulièrement important d éviter que l élément ne vrille sous son poids propre au cours de ces opérations de levage; ce qui occasionnerait sa ruine par flambement par flexion et torsion autour de son axe faible d inertie. 7. Attaches 7.1 Jarrets et assemblages au faîtage Les jarrets et assemblages au faîtage constituent des détails importants dont la conception doit être regardée avec soin. Ils sont généralement réalisés par platines d about et boulons en traction. Dans le cas de portiques PRS, l accroissement de résistance et de raideur à l encastrement de la traverse sur poteau peut être obtenu facilement en augmentant la hauteur de la section de jonction sur poteau, tout en augmentant l épaisseur d âme dans cette zone de cisaillement important comme indiqué à la Figure 7.1 et à la Figure 7.2. On peut ainsi supprimer ou Page 8

9 minimiser les raidisseurs. Au contraire les profilés laminés auraient nécessité d ajouter un jarret et éventuellement des raidisseurs d âme. La conception avec PRS permet ainsi de répondre de manière esthétique et économique à ces points de conception particuliers. Figure 7.1 Schéma d un jarret de portique 7.2 Attaches de continuité Pour les grandes portées et les constructions lourdes, pour ne pas avoir recours aux transports exceptionnels toujours coûteux et contraignants en termes d autorisations spéciales, il est souvent nécessaire de scinder les traverses ou les poteaux en plusieurs éléments dont l assemblage de continuité est réalisé sur site. Il peut être avantageux, lors de la fabrication des poteaux en atelier, de prolonger le poteau par un moignon de traverse de manière à déporter l assemblage de continuité dans une zone de moindre sollicitation. Aussi faible que puisse être le moment de flexion, l attache doit cependant être suffisamment rigide de manière à ne pas mettre en défaut les hypothèses prises en compte lors du calcul élastique d ensemble. Par contre, selon la dimension du moignon, cette conception peut s avérer rédhibitoire vis-àvis des conditions de transport. Page 9

10 Photo: Jean-Pierre Muzeau Copyright APK Figure 7.2 Liaison Poteau-traverse 7.3 Pieds de poteaux Les pieds de poteaux constituent également des points de conception importants. Il paraît utile de rappeler que le dimensionnement d ensemble et le comportement des portiques vis-à-vis des déformations horizontales notamment sont largement fonctions des conditions d encastrement des pieds de poteaux sur leurs fondations. De manière générale : la solution portique avec «pieds de poteaux encastrés» permet de réaliser des économies substantielles sur le dimensionnement «acier», tout en minimisant les déformations horizontales. Cette solution pourra ainsi être préconisée pour les structures portiques supportant des ponts roulants où les conditions sur les déformations sont sévères. Page 10

11 Cette solution s avère également adaptée dans le cas de structures supportant des charges lourdes, ou dans le cas de sollicitations sismiques importantes ou de vents cycloniques. Elle permet de limiter les dimensions des poteaux. Cependant, cette solution nécessite de réaliser des fondations de plus grandes dimensions, de telle sorte qu elles ne puissent pas tourner sous l effet du moment de renversement. La fixation des poteaux nécessite des ancrages de dimensions importantes et bien souvent un raidissage conséquent du pied de poteau comme indiqué à la Figure 7.3. Figure 7.3 Pied de Poteau encastré La solution portique avec «pieds de poteaux articulés» est plus couramment utilisée, surtout dans le cas de charpente légère ou moyenne. La Figure 7.4, la Figure 7.5 et la Figure 7.6 présentent plusieurs solutions selon différentes pratiques nationales mm (i) (ii) Figure 7.4 Pied de poteau "articulé": (i) Poteau de hauteur constante; (ii) Poteau de section variable. Bien que l on puisse les considérer encastrés théoriquement, ce qui permet de les sécuriser pendant leur montage, ces conceptions ont montré par expérience qu elles pouvaient être considérées comme articulées en pratique. Page 11

12 Légende 1: Raidisseur d âme 2: Grain 3: Boîte à grain 4: Bêche 5: Tige d ancrage Figure 7.5 Pied de Poteau articulé sur grain d appui 300 mm Figure 7.6 Pied de Poteau articulé avec attache excentrée de manière à réduire la portée de la structure et créer un moment de flexion d excentrement, bénéfique pour le poteau Page 12

13 Enregistrement de la qualité TITRE DE LA RESSOURCE Phase avant-projet : Conception de portiques en Profilés Reconstitués par soudage Référence(s) DOCUMENT ORIGINAL Nom Société Date Créé par J.-C. Delongueville CTICM 28/04/2006 Contenu technique vérifié par P. Le Chaffotec CTICM 28/04/2008 Contenu éditorial vérifié par Contenu technique approuvé par les partenaires : 1. Royaume-Uni G W Owens SCI 30/8/06 2. France A Bureau CTICM 30/8/06 3. Suède B Uppfeldt SBI 30/8/06 4. Allemagne C Müller RWTH 30/8/06 5. Espagne J Chica Labein 30/8/06 Ressource approuvée par le Coordonnateur technique G W Owens SCI 29/1/08 TRANSLATED DOCUMENT Traduction réalisée et vérifiée par : J.-C. Delongueville CTICM 22/11/06 Ressource traduite approuvée par : A. Bureau CTICM 22/11/06 Page 13

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