ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 9 CONSTRUCTION EN ELEMENTS MINCES

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1 ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 9 CONSTRUCTION EN ELEMENTS MINCES Leçon 9.7 Applications de la construction en éléments minces Fichier : L9-7.doc

2 OBJECTIF Présenter la variété des éléments formés à froid, des produits minces et illustrer leurs applications. PREREQUIS Leçon 4A.1 : Leçon 5.1 : Leçon 9.1 : Généralités sur la corrosion Introduction à la conception et à la fabrication assistées par ordinateur Éléments et panneaux à parois minces LEÇONS CONNEXES Leçon 9.2 : Leçon 9.3 : Leçon 9.4 : Leçon 9.5 : Leçon 9.6 : Méthode de calcul des poteaux Méthodes de calcul des poutres Méthodes de calcul des panneaux L'effet diaphragme Les assemblages RESUME La gamme des produits formés à froid disponibles de manière courante est décrite et les possibilités d'application de ces produits sont exposées. Les utilisations habituelles, dans lesquelles ces produits jouent souvent plusieurs rôles simultanés, sont discutées. Page 1

3 1. INTRODUCTION Il y a eu ces dernières années dans la construction métallique, une tendance générale indiscutable pour l'utilisation de formes plus légères et plus économiques. Cette tendance est responsable d'une utilisation plus poussée d'éléments formés à froid, à partir de tôles d'épaisseur faible. Des éléments de construction tels que les pannes, les lisses et même les composants de l'ossature principale des bâtiments, peuvent être réalisés de cette manière et utilisés en lieu et place de produits laminés à chaud. Ils peuvent aussi remplacer dans certains cas des éléments habituellement réalisés en bois. Des produits plats, comme les bardages, les panneaux de toiture ou encore les planchers, sont souvent utilisés de manière très efficace en combinaison avec d'autres matériaux. Les avantages principaux de la fabrication à froid sont : 1. une gamme très vaste de composants due à la grande flexibilité du processus de fabrication ; 2. une bonne résistance à la corrosion par l'emploi de matériaux prérevêtus ou prégalvanisés ; 3. une bonne qualité de surface, avec des aspects divers ; 4. la possibilité de résoudre de manière intéressante les problèmes d'isolation acoustique et thermique, par l'adjonction de matériaux adéquats ; 5. l'existence de diverses méthodes d'assemblage, dont la plupart sont bien adaptées au chantier ; 6. un rapport capacité à poids élevé ; 7. une très large possibilité de préfabrication. Les éléments formés à froid sont généralement produits à partir de tôles minces d'acier, disponibles sous la forme de bobines et transformées : soit par un processus de fabrication continu, au cours duquel la bobine est déroulée, puis passée à travers des cages à galets qui lui confèrent progressivement la forme souhaitée (figure 1) ; soit par un processus au cours duquel des longueurs déterminées sont d'abord coupées, puis celles-ci sont pliées à la presse ou à la plieuse pour obtenir la forme voulue. Alors que la première de ces méthodes est bien adaptée à la production en grande série, par exemple pour les bardages ou panneaux de toiture, la seconde est plus appropriée Page 2

4 pour des volumes de productions plus réduits ou pour des éléments qui doivent correspondre à des utilisations très spécifiques, par exemple des éléments de finition devant servir de joint entre d'autres éléments Les produits disponibles Les panneaux nervurés Les panneaux nervurés sont disponibles dans une très grande variété de formes et peuvent être destinés à de nombreuses utilisations. Dans les toitures à simple, voire à double peau, figure 2a, le panneau acier est utilisé comme profil extérieur. Sa fonction principale est d'assurer l'étanchéité de la toiture. Dans une toiture à double peau, la fonction principale du panneau intérieur est de supporter l'isolation thermique. De plus, s'il est perforé, il peut contribuer à l'amortissement acoustique et ainsi améliorer les conditions d'utilisation du bâtiment. Les systèmes à double peau se subdivisent en deux groupes : d'abord il y a ceux qui utilisent le même panneau ou des panneaux semblables, en peaux extérieure et intérieure et ensuite il y a ceux dont la peau intérieure remplace tout simplement les pannes : dans ce dernier cas le panneau intérieur porte dans la direction perpendiculaire à celle des panneaux de la peau extérieure. Pour les toitures plates (figure 2b), le panneau acier doit, outre résister à son propre poids, supporter également l'isolation, les charges relatives à l'entretien et les surcharges climatiques comme le vent et la neige. Dans cette dernière utilisation il faut veiller à ce que l'isolation puisse vraiment enjamber les creux du panneau, sans subir de dommage. Dans le cas des murs, le panneau extérieur (figure 3) doit assurer l'étanchéité à l'air et à l'eau, de même qu'il peut devoir répondre à des impératifs esthétiques. Ce panneau peut d'ailleurs être la peau extérieure d'un mur à double peau. La peau intérieure est alors le plus souvent un système à cassettes, celles-ci portant horizontalement entre les supports, offrant l'aspect intérieur du bâtiment et supportant par ailleurs l'isolation. Les panneaux nervurés peuvent également être utilisés pour la réalisation de planchers, par exemple dans des maisons préfabriquées. Une autre utilisation encore est l'emploi en coffrage perdu : dans ce cas les panneaux doivent pouvoir supporter le béton frais et toute autre charge relative au stade de construction. Une solution plus économique est encore d'employer les panneaux acier dans la résistance finale, profitant de leur résistance dans un calcul en dalle composite (figure 4). Des tôles prérevêtues sont généralement utilisées, en sorte que, dans cette application, la face inférieure peut être suffisamment attractive et laissée telle. Page 3

5 La plupart des produits ainsi profilés en acier ont aussi leur correspondant, c'est-à-dire de la même forme, en matière plastique translucide. Ces derniers peuvent donc être facilement utilisés pour fournir un éclairage naturel à l'intérieur des bâtiments. Pour fixer correctement les panneaux des murs et de la toiture et assurer les finitions, toute une série de petits composants de diverses formes et dimensions sont nécessaires : on les appelle «flashings». Les produits peuvent par ailleurs remplir d'autres fonctions accessoires, comme conduire les eaux de pluie. Les facilités offertes par l'opération de pliage permettent en effet d'intégrer tous ces aspects dans la réalisation des éléments Les éléments Les éléments formés à froid sont disponibles en de nombreuses formes et dimensions. Étant donné qu'ils sont fabriqués en une opération de pliage, il faut veiller à ce que la section obtenue soit telle qu'elle se suffise à elle-même. Notamment, pour réaliser une section en I il faut forcément attacher deux sections en C, dos à dos, au niveau de leur âme. La figure 5 donne une idée de la gamme de produits disponibles Les panneaux sandwich Dans les dernières années, la production de panneaux sandwich (figure 6), constitués de deux panneaux acier entre lesquels une mousse est injectée, a considérablement augmenté. Un tel matériel qui peut être mis en place très rapidement, est particulièrement adapté si l'on veut simultanément résoudre les questions d'isolation thermique et d'étanchéité. Page 4

6 2. CONSTRUCTION MIXTE 2.1 Éléments formés à froid combinés avec des panneaux nervurés Il est courant de profiter de la grande flexibilité d'emploi des produits formés à froid et d'en utiliser plusieurs, de types différents, de manière conjointe. Un des meilleurs exemples est l'utilisation de pannes de section en Z (figure 7), conjointement à une couverture en panneaux nervurés vissés, procurant ainsi un effet diaphragme important, de nature à stabiliser le bâtiment. De plus la couverture assure un support latéral aux pannes et augmente ainsi considérablement leur capacité flexionnelle. Le concept dans lequel on utilise délibérément l'effet diaphragme de l'enveloppe d'un bâtiment a conduit à une théorie correspondante ; une importante part de la stabilité du bâtiment est ainsi assurée par la résistance de cette enveloppe et l'on peut même reconsidérer la nécessité de placer des contreventements. 2.2 Panneaux nervurés combinés avec le béton Dans la construction de bâtiments multi-étagés, l'utilisation de planchers composites a fortement augmenté ces dernières années. Les planchers métalliques, habituellement en portées de 3 m entre poutres secondaires, peuvent être installés rapidement, et, lorsqu'ils sont fixés à ces poutres par des clous placés au pistolet, ils procurent une plate-forme de travail aisée et une protection pour les personnes travaillant en dessous. Le béton de remplissage peut être pompé ou transporté par grue et il est coulé sur les planchers, avec interposition préalable d'un treillis qui évitera les fissurations possibles lors du séchage du béton. L'action composite du béton avec le plancher métallique peut être assurée directement par le profil du panneau ou par des indentations réalisées dans certaines parties du panneau, celles-ci reprenant les efforts de cisaillement existant entre le béton et le panneau. Des goujons peuvent être soudés directement à travers le panneau sur les semelles des poutres supports, pour permettre l'action composite du plancher avec les poutres. 2.3 Fixations Différents types de fixation, incluant le soudage par points, peuvent être utilisés pour les produits minces. La figure 8 illustre les types principaux de connecteurs mécaniques. Ce sont : les boulons avec écrous ; les clous placés au pistolet ; les vis : Page 5

7 auto-taraudeuses, auto-forantes, d'autres types, notamment pour panneaux translucides. les rivets aveugles ; le couturage des rives des panneaux adjacents ; le soudage : à l'arc, par résistance, le brasage. Ce dernier processus est relativement nouveau. Il est destiné particulièrement à éviter les endommagements des surfaces prépeintes ou galvanisées. Son principe repose sur l'utilisation d'un métal d'apport qui entre en fusion plus rapidement que le métal des éléments à assembler, déposé au chalumeau, assurant un joint résistant et étanche. Page 6

8 3. CARACTERISTIQUES PHYSIQUES Une isolation thermique est souvent demandée pour la réalisation des murs et elle peut consister en laine de roche, plaques isolantes, polystyrène, verre cellulaire ou encore perlite expansée. Les panneaux isolants étant des produits brevetés, la littérature fournie par le fabricant devra être consultée dans le but de vérifier les performances et de s'informer sur les recommandations d'usage. Les paramètres principaux sont la stabilité des dimensions, la masse volumique, le coefficient de conductivité thermique, la résistance à la vapeur d'eau et les méthodes de fixation. 3.1 L'acoustique Une bonne isolation acoustique du bâtiment est devenue aujourd'hui une demande très courante. Les deux caractéristiques en cause dans le contexte de la limitation de la transmission des bruits, sont l'absorption et l'isolation. Il est souvent possible de combiner les exigences de l'isolation acoustique et de l'isolation thermique par l'emploi d'un seul panneau composite remplissant les deux fonctions. On peut aussi augmenter l'isolation acoustique en augmentant l'épaisseur et/ou la densité du matériau isolant ou en employant des panneaux intermédiaires supplémentaires. 3.2 La résistance au feu À cause de leur minceur, les panneaux en acier ne possèdent guère de résistance au feu. Cependant, des murs doubles correctement isolés peuvent atteindre des résistances au feu minimales de 90 minutes. Des toitures et des planchers peuvent également être conçus pour résister 60 minutes au moins sans l'ajout de protections supplémentaires. 3.3 La condensation Un mur en acier, surtout non isolé, présente des risques certains de condensation de la vapeur présente dans l'air ambiant. Ceci est dû à sa grande conductivité thermique. Divers revêtements anticondensation ont cependant été mis au point. Ces revêtements sont appliqués sur la face intérieure des parois, suivant des processus spéciaux. Ils sont assez efficaces. Un bon exemple est le matériel «Grafo Therm». C'est un produit à base d'eau incluant des composants poreux qui ont une grande capacité d'absorption de l'eau. Il est disponible sous la forme d'un revêtement à fins granulats et présente une apparence esthétique agréable. Page 7

9 3.4 La durabilité Les panneaux en acier sont toujours revêtus. Leur épaisseur varie entre 0,3 et 4 mm et leur largeur peut atteindre 1500 mm. La résistance de l'acier est en général de 320 ou 350 MPa, mais il s'en trouve jusqu'à 550 MPa. Une galvanisation précède généralement la peinture. Ce revêtement de zinc procure une protection cathodique pour les endroits ou l'acier est mis à nu, soit par la coupe, soit par le perçage de trous (figure 9). Suivant le mode d'application du zinc, la protection peut être améliorée, de même que l'apparence. Les produits à la fois prégalvanisés et prépeints sont très résistants par suite de l'excellente action complémentaire de ces deux protections. Pour les éléments d'ossature formés à froid, on peut aussi envisager l'application de peintures ou d'autres types de revêtements (poudres polyester appliquées par processus électrostatique) après le processus de formage. Page 8

10 4. UTILISATION EN SERVICE Les progrès technologiques sont choses quotidiennes : ils permettent d'étendre la gamme des produits et les opérations que l'on peut réaliser directement au cours du processus de formage. Un emploi intelligent de ces techniques conduit à une réduction importante des coûts, notamment ceux relatifs au chantier. La figure 10 montre des exemples du résultat des opérations qui ont pu être intégrées directement dans le processus continu de formage de la section. De manière générale les éléments formés à froid sont très légers ; ils peuvent donc être aisément manipulés. Le montage est une opération simplifiée et accélérée par cette caractéristique. Pour le transport, ces éléments peuvent souvent être empilés : le volume nécessaire s'en trouve réduit et les opérations de chargement et déchargement peuvent inclure de plus grandes quantités. L'utilisation de matériaux prérevêtus est aussi un avantage lors du transport et du montage. Page 9

11 5. LES TYPES D'OSSATURES LEGERES Les premières applications de sections à parois minces étaient limitées aux situations dans lesquelles la question poids était prépondérante. Suite aux progrès réalisés en matière de matériaux et de procédés de fabrication, les possibilités d'application qui s'offrent aujourd'hui sont pratiquement illimitées. 5.1 Les bâtiments industriels Des treillis tels que ceux de la figure 11 sont employés en toiture de bâtiments industriels ou de stockage. Les membrures sont le plus souvent des sections en U, moisées et les diagonales sont des U simples. La stabilité latérale peut être obtenue par l'emploi de profils assez larges. Le matériel utilisé est généralement à haute résistance, prégalvanisé et les assemblages sont réalisés par simple boulonnage. Des portées libres de 50 m sont possibles. Le développement de portiques en éléments reconstitués soudés s'est effectué en parallèle. Poteaux et arbalétriers sont réalisés de la sorte. Des portées libres de 60 m sont réalisables. L'application probablement la plus significative des éléments à parois minces est la réalisation de l'empannage des toitures pour les bâtiments à portiques parallèles. Si les portées sont faibles, on peut même envisager l'utilisation des éléments à parois minces pour les poteaux et les arbalétriers (figure 12). Une autre application est l'utilisation d'éléments formés à froid pour la réalisation de mezzanines. Les poteaux et les poutres peuvent aussi être de tels éléments, avec les avantages de la protection de zinc et d'un montage aisé. La disponibilité d'éléments formés à froid avec des hauteurs d'âme allant jusqu'à 500 mm permet leur utilisation en temps qu'éléments de l'ossature principale, aussi bien dans la construction multi-étagée que pour des portiques. Dans ce dernier cas on peut envisager des portées de 25 m. Dans les bâtiments à usage de bureaux, le béton peut être utilisé pour assurer la protection au feu des poteaux. Tous les trous nécessaires au montage peuvent être réalisés directement lors du processus continu de fabrication. Une des utilisations les plus fréquentes des sections formées à froid est la panne de toiture, comme montré à la figure 13. Les portées peuvent atteindre 15 m. Des systèmes brevetés font usage de sections dont la hauteur est comprise entre 100 et 300 mm. Ces systèmes incluent les détails tels que éclisses ou recouvrement, dans le but d'en améliorer les performances (figure 14). Les producteurs ont la plupart du temps conduit eux-mêmes des essais spécifiques à leur système et ainsi des informations sont disponibles sur leurs capacités. Cette manière de considérer les choses est très favorable à la réduction de la difficulté et de la durée des calculs. Page 10

12 Les arbalétriers en treillis sont aussi largement utilisés dans la réalisation des serres. 5.2 L'habitation Les sections minces sont particulièrement adaptées pour leur emploi dans la réalisation des ossatures des maisons (figure 15). Deux types sont disponibles : un squelette complètement assemblé par boulons sur le site (figure 16), un squelette comprenant des panneaux préassemblés en usine. Dans le deuxième cas, des panneaux de grandes dimensions, par exemple 3 12 m, permettent un degré élevé de préfabrication de la maison. Toutes les sections sont prégalvanisées et présentent tous les trous nécessaires. 5.3 Les bâtiments utilitaires Des unités modulées, pour utilisation en matière d'habitation, de bureaux, de baraques de chantiers, etc., peuvent être facilement produites au moyen d'éléments et de panneaux formés à froid. 5.4 Le stockage Les rayonnages pour le stockage (figure 17), peuvent être réalisés en composants formés à froid. Dans ce cas le processus de formage ne sert pas seulement à produire la forme la plus adéquate mais aussi à réaliser la multitude de trous nécessaires pour le montage et le démontage. Page 11

13 6. CONCLUSION Le formage à froid donne au concepteur une gamme étendue de produits, qu'il peut utiliser dans de multiples applications. Des éléments d'ossature très performants peuvent être réalisés en combinant des éléments formés à froid entre eux ou avec des autres matériaux. L'utilisation de bandes d'acier prégalvanisées et l'intégration dans le processus de fabrication de diverses autres opérations réduit largement les opérations ultérieures de chantier. Les protections contre la corrosion, le bruit et les pertes de chaleur, ainsi qu'un aspect esthétique attractif, sont parfaitement réalisables. L'utilisation des éléments fabriqués de la sorte permet l'emploi de techniques d'assemblage simples sur chantier. Page 12

14 7. LECTURES COMPLEMENTAIRES 1. European Convention for Constructional Steelwork : "European Recommendations for the Design of Light Gauge Steel Members", Publication 49, ECCS, European Convention for Constructional Steelwork : "European Recommendations for the Design of Profiled Sheeting", Publication 40, ECCS, Eurocode 3, Part 1.3 : "Cold-formed Thin-gauge Members and Sheeting" (in preparation). Page 13

15 TRADUCTION DES FIGURES Figure 1 - Formage à froid par cages à galets Figure 2a - Toiture en tôles d'acier Figure 2b - Couverture d'une toiture plate Figure 3 - Construction d'un mur vertical Figure 4 - Panneaux nervurés employés en plancher composite Cornière Section en U Section en C Section oméga Section en Z Section en Z avec lèvres Section tubulaire ouverte Section rectangulaire ouverte Gamme des dimensions disponibles pour les sections formées à froid Gamme des dimensions (mm) Remarques Types de section Épaisseur de ³ l'acier Hauteur de la section Largeur des semelles Cornière Section en U Section en C Section en oméga Section en Z Section en Z avec lèvres Comme pannes de toiture Section tubulaire ouverte Le diamètre est donné au lieu de la hauteur Section rectangulaire ouverte Figure 5 - Exemples de sections usuelles formées à froid Figure 6 - Panneaux sandwich préfabriqués (exemples) Figure 7 - Utilisation des pannes en Z Page 14

16 Figure 8 - Exemples de connecteurs mécaniques Atmosphère Oxygène Eau Acides Revêtement zinc Sel de zinc Revêtement alliage Acier de base Zinc / acier Figure 9 - Exposition à l'atmosphère d'un acier galvanisé Figure 10 - Fabrication d'une section incluant d'autres opérations dans le processus continu de formage Figure 11 - Exemples de treillis Détail Figure 12 - Sections formées à froid utilisées comme poteaux, arbalétriers et pannes Détail A Panne Z Echantignoles Contreventement Lierne Figure 13 - Utilisation des sections formées à froid comme pannes Recouvrement Section A - A Figure 14 - Recouvrement de pannes en Z formées à froid Soudure Tirant Détail d'encadrement Détail de soudage Détail de soudage Mise d'équerre Clouage de planches Ecorché d'un mur Ancrage Tuiles Raidisseur Raidissage de l'âme Ossature d'un mur Ponts de liaison Cornière Soudure Soudure Stabilisation des poteaux Panneaux Toit à la Mansard Figure 15 - Sections formées à froid dans l'habitation Figure 16 - Portique fait d'éléments minces assemblés sur place par boulonnage Page 15

17 Poutres formées à froid Poteaux formés à froid Figure 17 - Système de rayonnages de stockage Page 16