RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX APPLIQUÉE STRUCTURES MÉTALLIQUES

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1 Ingénieurs en Sécurité Industrielle Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX APPLIQUÉE STRUCTURES MÉTALLIQUES I - GÉNÉRALITÉS Profilés du commerce Normes Principaux types de construction...3 II - TECHNOLOGIE DES ASSEMBLAGES Généralités Étude du type de liaison articulée Étude du type de liaison encastrée Stabilité des différents types de construction...16 III - RACCORDEMENT DES CONTREVENTEMENTS AUX POUTRES ET AUX POTEAUX Profilés utilisés pour constituer les barres de contreventement Conception de l'assemblage...18 IV - DÉTERMINATION DU TRACÉ D'UN GOUSSET Ce document comporte 23 pages MX DCA - - Rév. 0 11/04/2005

2 1 I - GÉNÉRALITÉS 1 - PROFILÉS DU COMMERCE a - Matière et caractéristiques mécaniques du matériau le plus couramment utilisé Caractéristiques mécaniques des aciers normalisés Les aciers de construction de structures métalliques sont réglementés par la norme européenne EN Dans cette norme, les aciers sont définis par leur nuance et leurs caractéristiques mécaniques. Elle définit également, pour une nuance, des classes de qualité (JR, J0, J2, G3) qui se différencient d entre elles par leur résilience et leur soudabilité. L acier le plus couramment utilisé en construction est la nuance S 235, il existe également des nuances S 275 et S355 d un emploi plus rare (pour information, il faut savoir qu il existe d autres nuances employées dans la réalisation de structures particulières, telle que l offshore et les grands ouvrages d art). Caractéristiques mécaniques Nuances d acier S 235 S 275 S 355 Limite d élasticité f y en N/mm 2 t 16 mm < t 40 mm < t 63 mm Contrainte de rupture en traction f u (N/mm 2 ) t 3 mm 360/ / /680 3 < t 100 mm 340/ / /630 Allongement minimum ε t 3 mm 18 % 15 % 15 % 3 < t 150 mm 23 % 19 % 19 % Pour les aciers de type S 235, les valeurs des modules d élasticité longitudinale et transversale sont égales à : E = 2,1 x 10 5 N/mm 2 G = 8,4 x 10 4 N/mm 2

3 2 b - Types et utilisation courante Poutres en I - IPE profil européen à ailes parallèles - IPE-R renforcé (hors normes) - IPN profil normal à ailes en pente - IAP et IPEA à partir de % D CONS 2018 A Poutres en U - UPN profil normal ailes en pente - UAP profil à ailes parallèles, allégé 8% D CONS 2018 B Poutres en H Poutre en L Monorail - HEA profil à ailes parallèles allégé - HEB profil normal à ailes parallèles - HEM profil lourd à ailes parallèles cornières à ailes égales ou inégales et à coins arrondis - IPN de préférence, car ailes plus épaisses ou IPE Poutre composée D CONS 2019 A Poteau - HEA ou HEB - IPN - PH pour pieux de fondation Poteaux composés D CONS 2020 A

4 3 Contreventements cornières à ailes égales ou inégales UAP Profilés divers Plaques pour platines soudées aux profilés et divers goussets. D CONS 2023 A Fer plat pour garde corps et garde pied Tube pour garde-corps 2 - NORMES La classification dimensionnelle des produits sidérurgiques fait l objet d une série de normes référencées auprès de l AFNOR, les principales d entre elles sont : - profilé IPE (80 < h < 600) NFA profilé IPN (80 < h < 600) NFA profilés HEA et HEB (100 < h < 600) NFA PRINCIPAUX TYPES DE CONSTRUCTION a - Ensemble de supportage pour réseau de tuyauterie Poteau unique pour groupe de tuyauteries isolées D CONS 2024 A

5 4 Poteaux avec traverse simple ou multiple constituant des portiques de travée de pipe rack D CONS 2025 A b - Ossature de structures métalliques D CONS 2026 A

6 5 II - TECHNOLOGIE DES ASSEMBLAGES 1 - GÉNÉRALITÉS La conception des assemblages dans les structures peut être réalisée de plusieurs façons différentes en fonction du mode de liaison des divers éléments mis en œuvre. Il est distingué généralement des constructions dites : - articulées - encastrées ou rigides - parfois semi-encastrées ou semi-rigides dont l étude est un peu plus complexe et peu employée sur des structures basiques a - Étude du diagramme des moments fléchissants sur une poutre articulée Soit une poutre isostatique, chargée en son milieu par une charge concentrée : A RA N RB B D CONS 2021 B La valeur du moment fléchissant maximum en travée est de : avec M max = + l RA x 2 = + N l 2 x 2 N l M max = + 4 RA = RB N l M max Réaction aux appuis A et B Chargement sur la poutre Distance entre appuis Moment fléchissant au droit de l'application de la charge N Diagramme des moments fléchissants A RA N RB B + M max = + N 4 D CONS 2022 B

7 6 Le module de résistance du profilé, qui permet de définir la section de la poutre est donné par la relation : d'où l'on tire la valeur du module de résistance : σ = M max I/v I v = M max σ I v = N x l 4 x σ avec I v M max σ Module de résistance Moment fléchissant Contrainte maximum admissible par le matériau b - Étude du diagramme des moments fléchissant sur une poutre encastrée ou rigide Soit une poutre hyperstatique, encastrée à ses deux extrémités, chargée en son milieu comme la poutre précédente et ayant même longueur. A N B D CONS 2021 A Le moment fléchissant maximum, dans ce cas particulier, a même valeur en travée qu'aux encastrements A et B. Diagramme des moments fléchissants N x l M max = ± 8 M max = N x 8 A N B M max N x 8 M = + N x 8 D CONS 2022 A

8 7 Le module de résistance du profilé, qui permet de définir la section de la poutre, est donné par la même relation que précédemment : d'où l'on tire la valeur du module de résistance : σ = M max I/v I v = M max σ I v = N x l 8 σ c - Comparaison des résultats Il est alors possible de constater que pour la poutre articulée, le module de résistance permettant de définir la section du profilé est deux fois plus important que le module de résistance nécessaire à la tenue de la poutre encastrée. La section de la poutre isostatique nécessaire est donc plus importante que la section définissant la poutre hyperstatique. En réalité, cette hypothèse n'est pas aussi exacte, en effet : - sur la poutre articulée, les articulations d'extrémités n'offrent pas une liberté totale de déformation. Un léger moment d'encastrement apparaît au chargement et le moment en travée est inférieur à celui qui a été calculé. La poutre sélectionnée est donc légèrement plus résistante que celle nécessaire et permet par conséquent, une sécurité supplémentaire. - sur la poutre hyperstatique les encastrements ne sont pas aussi parfaits qu'en théorie et une rotation des extrémités apparaît dès que la poutre est mise sous charge. Cela se traduit par une diminution des moments d'encastrement et une augmentation du moment en milieu de travée. Dans ce cas, le module de résistance trouvé devient trop faible et cette construction présente des garanties de sécurité plus faible. Remarque : Si la poutre isostatique est plus importante en section, elle n'est pas nécessairement plus coûteuse que la poutre hyperstatique de section plus faible, qui elle demande des liaisons, aux autres éléments de la construction, plus importantes en rigidité afin d'assurer parfaitement les hypothèses d'encastrement.

9 8 Diagrammes théorique et réel des deux cas de figures envisagés Moments consécutifs aux entraves de liaison Moments de relachement aux liaison A Réel N B A Théorique N B Réel Poutre isostatique (appuis libre) Théorique Poutre hyperstatique (appuis encastrés) D CONS 2027 A En conclusion il faut être très prudent lors du choix du type de construction et examiner en détail les avantages et les inconvénients de chaque hypothèse. 2 - ÉTUDE DU TYPE DE LIAISON ARTICULÉE a - Liaisons des poutres avec les poteaux Liaisons profilé acier sur profilé acier Dans cette conception, l'âme de la poutre est pincée par deux cornières qui sont assemblées par boulonnage sur l'âme ou les ailes du poteau. Un jeu de 10 mm entre l'âme de la poutre et l'âme du poteau est laissé afin de faciliter la rotation et les déformations des attaches pour assurer les hypothèses de l articulation. Poteau Cornière Âme de la poutre D CONS 2028 A Cet assemblage ne ressemble pas du tout à une articulation théorique mais il est tout de même considéré comme tel car il n'offre que très peu de résistance aux rotations provoquées par les moments. Par contre, il doit assurer avec efficacité l'équilibre des efforts tranchants. Poteau Déformation des cornières Poutre D CONS 2028 B La liberté en rotation de l'assemblage est obtenue grâce à la déformation des cornières constituant les attaches au poteau ou par glissement de l'âme de la poutre entre ces cornières. Déformation sous l'effet d'un moment à l'appui

10 9 Liaisons profilé acier sur section en béton armé L'âme de la poutre peut être pincée entre deux cornières qui sont liées au poteau en béton armé par des ancrages boulonnés. Les ancrages doivent être mis correctement en place dans le béton au moment de la coulée. Jeu de 10 mm environ Poutre métallique Partie d'aile grugée Armatures Poteau en béton armé Âme de la poutre D CONS 2029 A Il est à remarquer que pour ces deux types de liaison, les déformations dues aux rotations sont extrêmement faibles et doivent rester dans le domaine élastique afin que la construction reprenne sa forme initiale dès que cesse l'application des sollicitations.

11 10 b - Liaison des poteaux aux massifs de fondation Au niveau des jonctions avec les massifs de fondation des structures charpentes métalliques, il est possible de concevoir des articulations réelles et des articulations théoriques : - articulation réelle avec axe de rotation : Platine scellée - articulation réelle par simple appui Platine du poteau Profilé du poteau Butée Articulation Poteau Pièce d'appui arrondie solidaire du poteau Platine scellée D CONS 2030 A Plaques de renforcement Passage du boulon d'ancrage D CONS 2031 A - articulation théorique C'est une articulation de conception simple et moins coûteuse que les précédentes. Elle est composée d'une simple plaque soudée à l'extrémité du poteau. Pour que l'articulation se rapproche le plus d'une articulation théorique, les boulons d'ancrage de raccordement aux massifs, doivent être placés sur le même plan vertical que l'axe de rotation. Boulon d'ancrage dans l'axe du poteau y M Pied de poteau articulé Platine étroite y' Rotation D CONS 2032 A

12 11 Lorsque cette articulation est soumise à un moment agissant suivant l'axe y'y, le bras de levier du couple devant équilibrer le moment égal à zéro car les boulons d'ancrage sont implantés sur l axe de rotation y'y. La force de traction appliquée sur les ancrages peut être calculée d'après la relation suivante : M = F d F = M d Dans cette configuration, le bras de levier étant égal à 0, la valeur de la force F devient alors infinie. Les boulons d'ancrage ne pouvant résister à une telle force, ils se déforment alors seulement par extension en créant ainsi une légère rotation de la platine. Comme les calculs initiaux considèrent cette construction articulée ; les moments en pied de poteau sont faibles et les déformations des boulons doivent, autant que possible, rester dans le domaine élastique. 3 - ÉTUDE DU TYPE DE LIAISON ENCASTRÉE D une façon générale, les assemblages pour constructions encastrées sont plus coûteux que les assemblages pour constructions articulées, leur réalisation demandant beaucoup plus de main d'œuvre et de travaux de soudure. a - Liaison des poutres avec les poteaux Liaison par soudure au nœud d encastrement Raidisseur Raidisseur Poutre Dans ces conditions d hypothèse, la liaison des poutres aux poteaux doit être la plus continue possible. Tout d'abord, la poutre est soudée au poteau, l'angle formé par la poutre et le poteau est raidi par un gousset soudé. Poteau Gousset D CONS 2033 A Afin d augmenter la raideur des ailes des profilés, des goussets sont également soudés, entre les ailes et les âmes, afin d assurer la continuité de la liaison du poteau, avec d'une part la poutre et avec d'autre part le gousset d'angle. Nœud d'encadrement réalisé par soudure

13 12 Il se produit malgré tout un relâchement de cet encastrement sous l'action du moment, car le poteau ne possède pas une raideur infinie et se déforme lors de la transmission de l effort. Par contre, l'angle formé par la poutre et le poteau, est structuralement indéformable. Liaison par boulonnage, au nœud d encastrement À l'extrémité de la poutre, il est soudé une platine qui reprend la totalité du gousset inférieur de renforcement. L ensemble étant boulonné sur l'aile du poteau afin d assurer une bonne liaison mécanique. Poteau Poutre Platine D CONS 2033 B Nœuds d'encadrement réalisés par boulonnage

14 13 Liaison par boulonnage d un profilé en acier sur une section en béton Dans ce cas la poutre possède une platine soudée à son extrémité. Cette platine est rendue solidaire de l'ancrage béton à l'aide de boulons d'ancrage noyés dans le poteau. Poutre Poteau en béton armé D CONS 2033 C Liaison par soudure, d un profilé en acier sur une section en béton Une platine de scellement dimensionnée afin de recevoir la poutre sur laquelle elle est soudée, est munie à sa partie arrière de pattes de scellement qui sont noyées dans le béton au moment du coulage. Ces plaques métalliques s'appellent des "INSERT PLATE" Plaque de scellement Poteau BA Plaque de scellement Pattes de scellement Poutre métallique soudée sur la platine D CONS 2034 A

15 14 Les pattes de scellement peuvent être fixées à l'arrière de la plaque, de plusieurs manières : Pattes soudées D CONS 2035 A Cette conception présente le risque de déformation des pattes pendant le transport et de fissuration, provoquant la rupture lors du redressage avant la mise en place dans le coffrage. Pattes vissées dans un écrou Cette solution semble être la meilleure, l'écrou est soudé sur la plaque métallique et la patte de scellement est alors vissée dans l'écrou. La plaque métallique peut être percée afin de faire légèrement déboucher la tige. D CONS 2035 B Pattes vissées dans la platine D CONS 2035 C L'insert plate est taraudée et la patte de scellement est vissée. Pattes vissées dans des manchons spéciaux Le manchon spécial (goujon Nelson) est soudé derrière la plaque et la patte de scellement est vissée à l'intérieur comme dans un écrou. Cette solution présente l'inconvénient de nécessiter l'emploi d'une machine de soudage spéciale (soudure par étincelage). D CONS 2035 D

16 15 b - Liaison des pieds de poteaux aux massifs de fondation La conception de la construction ne doit permettre aucune rotation du pied de poteau par rapport au massif. La liaison devant être la plus rigide possible, tous les éléments qui la composent ne doivent admettre aucune déformation. Puisqu'il s'agit d'encastrement, afin d'équilibrer au mieux le moment qui est appliqué en pied de poteau, les boulons d'ancrage sont implantés le plus loin possible de l'axe de rotation de la platine. La platine ainsi que les ailes du poteau sont ensuite raidies par des goussets. F M Gousset Platine épaisse F Poteau Renforts d 2 x 3 boulons d'ancrage D CONS 2036 A M = F d F = M d Plus la distance (d) entre les boulons d'ancrage est grande, plus la force de traction dans les boulons tendus est faible. La valeur de cette distance doit être limitée, car la platine ne doit pas être trop large afin de conserver une raideur suffisante.

17 STABILITÉ DES DIFFÉRENTS TYPES DE CONSTRUCTION a - Stabilité des structures encastrées En principe, une construction encastrée se suffit pour assurer sa propre stabilité. F F F D CONS 1227 J Les trois portiques représentés ci-dessus sont stables. Ils ne se déforment que sous l'action d'une force horizontale F. Dans une construction où tous les éléments sont encastrés, les profilés sont de sections moins importantes que dans une construction articulée identique. Il en découle une souplesse de l ensemble plus importante qui engendre de grandes déformations ou des vibrations dues aux efforts horizontaux variables (vent). Ceci oblige très souvent l installation de contreventements de raidissage afin de limiter l'amplitude des déformations horizontales et verticales. F F F D CONS 1227 K non raidie partiellement raidie totalement raidie = pas de déformation

18 17 b - Stabilité des structures articulées Une construction entièrement articulée n'est pas stable. Les poutres et les poteaux ne peuvent dans cette conception assurer à eux seuls la stabilité de la construction. F Construction articulée Instabilité Renversement D CONS 1227 A Pour améliorer la stabilité de ce type de construction, il est indispensable d'installer des contreventements. Ils peuvent être réalisés de différentes façons : - contreventements en diagonale D CONS 1227 B Cette conception évite toute déformation, mais entrave le passage entre les poteaux. - contreventements en V Cette conception permet le passage seulement au milieu et limite également toute déformation. D CONS 1227 C - contreventements partiel D CONS 1227 D Cette disposition peut permettre le passage d'un opérateur sur toute la largeur de la travée, mais donne de la souplesse aux poteaux qui dans ces conditions peuvent notoirement se déformer.

19 18 III - RACCORDEMENT DES CONTREVENTEMENTS AUX POUTRES ET AUX POTEAUX 1 - PROFILÉS UTILISÉS POUR CONSTITUER LES BARRES DE CONTREVENTEMENT Selon l intensité des efforts que doivent supporter les contreventements, ceux-ci sont constitués par : Des cornières Des profilés en U Des profilés en Ι Des profilés en H D CONS 1229 A 2 - CONCEPTION DE L ASSEMBLAGE Les profilés dissymétriques qui possèdent une partie extérieure lisse, comme les cornières et les U, se prêtent parfaitement à l assemblage par boulonnage de part et d autre de goussets soudés aux poteaux et aux poutres. Toutefois il faut, le plus possible, éviter de concevoir des contreventements à l aide d un seul profilé en cornière ou en U. En effet, le décalage de leur axe d inertie par rapport à la partie lisse en contact avec le gousset, crée un moment supplémentaire qui peut provoquer la rupture de l ensemble de la boulonnerie par effort de traction excessif. Axe d'inertie de la section G Effort d Gousset F Décalage G d Effort F Décalage D CONS 1178 A Dans cette conception d assemblage, il se produit un moment parasite sur l attache, égal à : M = F x d

20 19 Par contre, ces deux types de profilés conviennent parfaitement pour la constitution de barres de contreventement lorsqu ils sont employés par paire de part et d autre d un gousset de liaison. Gousset D CONS 1179 A Les contreventements sont implantés en tenant compte de l axe de trusquinage des profilés les constituant. L axe de trusquinage (ou ligne de trusquinage) est la ligne, où l usage, a fixé de façon absolue l implantation des trous de passage des boulons sur les profilés du commerce : - sur les profilés en cornière, cet axe de trusquinage est généralement rapproché de l arête extérieure et ne correspond ni à l axe d inertie, ni à la demi-largeur d aile. Par exemple sur une cornière de 80 x 80 x 8 Axe de trusquinage 35 57,40 Axe d'inertie 40 demie largeur d'aile D CONS 1180 A Dans la définition de l assemblage il est considéré que la droite d action, par laquelle passe l effort de traction ou de compression qui sollicite un contreventement, est confondue avec l axe de trusquinage. - sur les profilés en U, il n y a alors aucune difficulté, car ils sont assemblés sur l âme et l axe de trusquinage est confondu avec la demi-hauteur du profilé, qui correspond à l axe du moment d inertie horizontal h/2 Axe de trusquinage Axe d'inertie h/2 h D CONS 1181 A

21 20 IV - DÉTERMINATION DU TRACÉ D UN GOUSSET Les dimensions d un gousset sont fonction de l importance des éléments de charpente à boulonner, du nombre de boulons à installer et de l angle formé par le contreventement et les barres à raidir. Chaque fois que cela est possible, la droite d action de l effort sollicitant un gousset doit répondre aux conditions suivantes : - être confondue avec l axe de trusquinage des profilés - passer par le centre du cordon de soudure de raccordement du gousset sur la barre support, afin de ne pas créer de sollicitations supplémentaires La méthodologie du tracé du gousset est la suivante : - positionner la barre et l axe du trusquinage du profilé. L intersection devant être le centre du cordon de soudure, dont la longueur finale est définie en fin de tracé - tracer le profilé à boulonner sur le gousset. Laisser un jeu de 20 mm entre l extrémité du profilé et l aile du profilé constituant la barre, pour le cordon de soudure de liaison et maintenir l articulation - implanter le nombre de boulons de liaison, tout en tenant compte de la pince d extrémité et de l espacement entre les boulons Axe de trusquinage 20 mm do Lo 1.2 do 2.2 do 2.2 do 1.2 do Mini Mini Mini Mini D CONS 1182 A - limiter la longueur du gousset en tenant compte de la pince d extrémité mesurée à partir de la position du dernier boulon - le gousset est délimité par un côté perpendiculaire au profilé ; le deuxième côté étant perpendiculaire à l aile du profilé constituant la barre; le troisième côté étant déterminé par la symétrie du cordon de liaison dont la longueur totale est vérifiée afin d assurer une bonne tenue mécanique du cordon

22 21 Lorsque la soudure de liaison du gousset avec le profilé est symétrique par rapport à l axe de trusquinage du contreventement, l assemblage ne subit pas de moment parasite supplémentaire. Par contre, lorsque l axe de trusquinage ne passe pas par le milieu du cordon de soudure du gousset, il faut tenir compte de la présence d un moment parasite dans le calcul des cordons de soudure. F y Milieu de la longueur du cordon de soudure Intersection de l'axe de trusquinage avec le cordon de soudure Décalage créant un M = F. d D CONS 1183 A Lorsqu il n est pas possible de réaliser la liaison du gousset par soudure sur le profilé, il est possible de réaliser cette liaison par boulonnage. Le gousset est alors composé par une platine sur laquelle un gousset est lui-même soudé, ou découpé dans un profilé. D CONS 1184 A Assemblage par boulonnage Gousset soudé sur une platine Gousset découpé dans un profilé

23 22 Lorsque les profilés sont de section symétrique (IPN ou HEB), ils ne possèdent plus de face lisse permettant une reprise sur ce gousset, de plus, ils sont souvent utilisés seuls, car ces profilés ont des axes d inertie confondus dans leurs axes de symétrie et de trusquinage. Il est, dans ce cas, possible de les raccorder à un gousset comme précédemment par une platine soudée à l extrémité de chaque contreventement. Chacune des platines étant alors boulonnée soit sur le poteau, soit sur la poutre. Point d'épure Axe de trusquinage et d'inertie contreventement D CONS 1185 A Ce type de construction demande par contre une grande précision dans l exécution des perçages et des contre-perçages.