Phase avant-projet : Conception de solutions de poutres à treillis et de poteaux

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1 Phase avant-projet : Conception de solutions de poutres à treillis et de poteaux Ce document présente différentes applications de treillis ainsi que des exemples de conception de treillis et de poteaux pour des bâtiments à un seul niveau. Sommaire 1. Introduction 2 2. Poutres à treillis 2 3. Poteaux 7 4. Références 8 Page 1

2 1. Introduction Une poutre à treillis peut se définir comme étant une poutre à âme ouverte, formée par un agencement triangulaire d'éléments linéaires. Un agencement type de treillis est illustré à la Figure 1.1. Cet agencement est doté de «membrures» (l'équivalent des semelles) parallèles, «l'âme» étant composée d'un mélange de «diagonales» et de «montants», ces derniers étant disposés à angle droit par rapport aux membrures. De nombreux autres agencements de treillis sont possibles : avec d'autres dispositions des diagonales, parfois avec seulement des diagonales (pas de montants), parfois avec des membrures non parallèles. A B C D Légende : A Membrure supérieure, B Montant, C Diagonale, D Membrure inférieure Figure 1.1 Différentes parties d'une poutre à treillis 2. Poutres à treillis Le principal avantage d une poutre à treillis par rapport aux autres solutions tient au fait, qu'à l'aide d'une conception adéquate, elle permet d'obtenir un élément porteur efficace, solide et rigide. Le choix pour la structure de couverture entre une poutre à treillis et une poutre en acier à âme pleine est souvent d'ordre économique, où la portée et l importance de la charge comptent pour beaucoup. Plus la poutre en acier à âme pleine est massive et présente des portées importantes, plus le treillis permet de dégager des économies de poids ; lorsque les gains en matériau compensent le surcoût de fabrication, l'option du treillis est retenue. Lorsqu il s agit de choisir entre une poutre à treillis articulée et une poutrelle laminée à chaud articulée, le treillis est généralement le meilleur choix pour des portées supérieures à 15 m avec des charges élevées. Souvent, le moyen le plus économique pour stabiliser un bâtiment non cloisonné consiste à choisir une ferme de toiture avec poteaux articulés et une tôle de couverture servant à la fois de contreventement latéral aux arbalétriers et de diaphragme pour transférer les forces du vent vers les contreventements. Lorsqu'il est important de limiter au maximum la hauteur du bâtiment, ou lorsqu'il y a peu de place pour intégrer un contreventement vertical, la réalisation de portiques peut-être envisagée: ils présentent en effet une hauteur de section moindre du fait qu'ils sont soumis à une répartition différente du moment de flexion. La possibilité de faire passer dans l'âme d'un treillis les conduits de ventilation et de réseaux et des équipements techniques est un avantage à considérer. 2.1 Applications Les treillis sont principalement utilisés dans les fermes de toiture et les contreventements, où ils sont alors considérés comme des poutres à treillis, voir la Figure 2.1. Parfois, il peut aussi Page 2

3 être avantageux de les utiliser pour des chevêtres et des poteaux, par exemple dans le cas de poteaux de très grande taille présentant un moment fléchissant dominant. Légende : A Contreventement horizontal destiné à être utilisé avec des poteaux articulés B-B Ferme de toiture C-C et D-D Contreventements verticaux Figure 2.1 Treillis 2.2 Conception Il convient de concevoir la poutre à treillis pour faire en sorte que les charges s'exercent au niveau des noeuds d assemblages, afin de réduire au maximum l'ampleur du moment de la membrure. Cela signifie que les pannes sont posées au-dessus des assemblages de la membrure supérieure et que les poutres pour des monte-charges sont suspendues au niveau des assemblages de la membrure inférieure. Lorsque les dimensions des membrures sont importantes il est possible d'appliquer des charges mineures entre les noeuds d assemblages Fermes de toiture Dans les bâtiments industriels, les portées courantes vont de 12 à 35 m. Les fermes de toiture sont fabriquées en atelier puis transportées sur le chantier de construction, si possible d'un seul tenant. Il est possible de diviser en deux ou en plusieurs parties les composants les plus longs, pour les assembler sur site. Pour les bâtiments larges et si des poteaux internes sont acceptables, il est préférable de diviser le bâtiment en deux parties. Pour éviter d'avoir un chéneau interne qui présente toujours un risque de fuite, il est possible de conserver une crête et d'utiliser deux fermes à treillis, voir la Figure 2.2. Du fait que, normalement, la hauteur libre requise se situe à la partie la plus basse des arbalétriers, la hauteur disponible au milieu Page 3

4 du bâtiment est importante : il est possible d'en profiter pour y placer une poutre à treillis principale et se passer ainsi d'un poteau intérieur sur deux. B b c h b b b a a a a a A B B-B Légende A Ferme de toiture a poteau B-B Poutre à treillis principale b ferme de toiture h Hauteur disponible pour la poutre à treillis principale c poutre à treillis principale Figure 2.2 Ferme de toiture et poutre à treillis principale L'inclinaison du toit est normalement choisie entre 1:16 ou 1:10, en fonction du type de toiture. Une inclinaison inférieure à 1:16 est à utiliser avec prudence : en effet, la flèche diminue l'inclinaison et si la pente réelle du toit devient trop faible, il y a un risque que l'eau ne s'écoule pas correctement et qu'il se produise une accumulation d'eau (effet de mare). La pente la plus faible possible dépend de l'importance de la charge de neige. Pour obtenir une estimation grossière de la hauteur de coupe à retenir pour une poutre à treillis à deux versants, il est recommandé d'observer le rapport suivant : pour une inclinaison de toit de 1:16 H = L/25 L/30 et pour une inclinaison de 1:10 H = L/35 to L/40 où H correspond à la hauteur au niveau de l'appui. Pour les poutres à treillis à membrures parallèles, le rapport est d'environ H = L/20. Les modèles de poutres à treillis les plus généralement utilisés sont illustrés à la Figure 2.3, où (a) est sans doute le treillis le plus habituel en raison de la simplicité de ses détails. La Figure 2.3(b) représente un treillis du même genre, mais renforcé par des montants pour les portées plus importantes. La Figure 2.3(c) présente un treillis où toutes les diagonales sont sollicitées en traction et où les montants plus courts conduisent les efforts de compression ; ainsi, il est possible d'utiliser pour les diagonales de petites sections transversales, pour assurer une conception économique. (a) (b) Figure 2.3 Modèles types de poutres à treillis Page 4

5 Pour garantir une fabrication rationnelle, les profilés les plus rentables pour les poutres à treillis sont généralement des profilés en C ou des cornières, voir la Figure 2.4. Plusieurs entreprises sont spécialisées dans la production d arbalétriers de ce type. Un autre profilé lui aussi fréquemment utilisé est un profil creux rectangulaire (RHS). Lorsque les membrures sont sollicitées par des charges entre les nœuds d assemblage des treillis, ce qui génèrent des moments de flexion, un profilé en I peut s avérer être la meilleure solution. a A a a-a b B b b-b Légende : A Poutre à treillis avec profilés en U, B Poutre à treillis avec profils RHS Figure 2.4 Arbalétriers dotés de sections transversales différentes Les flèches posent généralement un problème d'ordre mineur avec ce type de bâtiments. Il est donc souvent économique de choisir une nuance d'acier d'au moins S355. Les sections laminées à chaud constituent le choix le plus habituel, bien qu'il soit également possible d'utiliser des sections formées à froid Montage Les fermes de toiture sont généralement soudées en atelier pour être transportées d'un seul tenant. Lorsque la dimension de la poutre à treillis ne permet pas de la transporter d'un seul tenant, celle-ci est fabriquée en plusieurs parties qui sont assemblées sur site. Dans la plupart des pays européens, il est généralement possible de transporter des poutres à treillis qui font jusqu à 20 m de long et 3,5 m de hauteur. Pour les poutres à treillis de grande portée, il est important d'inclure un calcul pour l'étape de montage. Par exemple, si la poutre à treillis est soulevée sur toute sa longueur, celle-ci doit être conçue pour pouvoir supporter son propre poids, sans maintien. Il se peut aussi que le bâtiment nécessite des maintiens provisoires (consulter le document SS048). Page 5

6 2.2.3 Contreventements Le contreventement horizontal d'une toiture fonctionne à la manière d'une poutre s'appuyant contre des contreventements verticaux. En général, les pannes servent de membrures et la poutre à treillis est complète une fois que des diagonales lui sont ajoutées. Les contreventements verticaux sont disposés dans les lignes de poteaux et se servent des poteaux comme éléments de membrure. Pour minimiser les effets des changements de températures dans les bâtiments longs, il est recommandé de disposer les treillis le plus près possible du milieu du bâtiment. En fonction de la conception, les diagonales peuvent être sollicitées en traction seulement, ou en traction et compression, voir la Figure 2.5. Si les déformations ne sont pas déterminantes, il est plus économique d'opter pour la conception «en traction seulement». Des aspects économiques déterminent le choix de la section transversale ; pour les éléments sollicités en traction seulement, il est recommandé d'employer des barres rondes, des sections en L ou des sections en C. Pour les éléments sollicités en compression, un profil creux carré peut-être un bon choix (RHS). Il est cependant parfois plus économique de choisir une section en H, du fait que les assemblages sont plus faciles à réaliser, ou lorsque des appareils de levage infligent d'importants moments de flexion. Le contreventement est généralement décalé par rapport à la poutre de roulement et l'effort horizontal de la poutre de roulement exerce ce moment fléchissant. Les diagonales de ce type sont généralement contreventées pour parer à un flambement par rapport à l'axe faible, comme l'illustre la Figure 2.5(b). 1 (a) (c) (b) (d) Légende : (a) Contreventement sollicité en compression et en traction, sans poutre de roulement (b) Contreventement sollicité en compression et en traction, avec poutre de roulement (c) Contreventement sollicité en traction, sans poutre de roulement (d) Contreventement sollicité en traction, avec poutre de roulement 1 Contreventement optionnel 2 Poutre de roulement Figure 2.5 Agencements types de contreventement dans les murs Page 6

7 3. Poteaux Dans les bâtiments industriels, en plus de remplir leur fonction de support de charges verticales dues à un enneigement, aux appareils de levage, etc., les poteaux doivent être conçus pour résister à la flexion exercée par des charges de vent au niveau de la structure du mur extérieur, et par les charges horizontales exercées par les appareils de levage. Étant donné que les charges horizontales entraînent des moments de flexion dans les poteaux, les profilés laminés HEA forment la section transversale la plus habituelle. Les profilés HEB, IPE et RHS sont aussi utilisés et, pour les plus bâtiments de plus grande taille, des profilés H en PRS ou en caisson, et parfois des treillis, sont utilisés. Les différents types de poteaux habituels sont illustrés à la Figure 3.1. A B C D E Légende : C HEA, HEB avec appui pour une poutre de A RHS roulement B HEA, HEB, IPE D PRS avec appui pour une poutre de roulement E Treillis avec appui pour une poutre de roulement Figure 3.1 Différents types de poteaux Page 7

8 2.1 Conception Les poteaux en RHS présentent une forte capacité portante pour des charges verticales, mais ils sont moins économiques pour supporter des charges horizontales. De ce fait, ils conviennent bien à des poteaux internes, dans des bâtiments dépourvus d'appareils de levage. Pour les poteaux externes dans les bâtiments de grande hauteur, sollicités par de fortes charges de vent, et pour les poteaux internes soutenant des appareils de levage, une meilleure option consiste à retenir une section en H pour sa plus grande résistance à la flexion relativement à son poids d'acier. Des profilés IPE peuvent être utilisés pour certaines applications, mais ils sont plus élancés par rapport à l'axe faible et nécessitent des contreventements latéraux étroitement espacés. Dans des bâtiments industriels de plus grande taille abritant des appareils de levage lourds, des PRS de sections en H ou en caisson sont utilisés. Il est possible d'envisager un profil asymétrique en raison de la charge excentrée. Une assise naturelle pour la poutre de roulement peut être formée en changeant le type de profilé. Le poteau treillis illustré à la Figure 3.1E n'est utilisé que dans les très grands bâtiments, équipés de très lourds appareils de levage, comme par exemple dans une aciérie. 4. Références 1 L. Cederfeldt, Hallbyggnader, SBI Publ. 53, Stålbyggnadsinstitutet, Stockholm 1977 Page 8

9 Enregistrement de la qualité TITRE DE LA RESSOURCE Phase avant-projet : Conception de solutions à treillis et à poteaux Référence(s) DOCUMENT ORIGINAL Nom Société Date Créé par Björn Uppfeldt SBI Contenu technique vérifié par Bernt Johansson SBI Contenu rédactionnel vérifié par Contenu technique approuvé par les partenaires : 1. Royaume-Uni G W Owens SCI 23/05/06 2. France A Bureau CTICM 23/05/06 3. Suède B Uppfeldt SBI 23/05/06 4. Allemagne C Müller RWTH 23/05/06 5. Espagne J Chica Labein 23/05/06 Ressource approuvée par le Coordonnateur technique G W Owens SCI 29/01/08 DOCUMENT TRADUIT Traduction réalisée et vérifiée par : eteams International Ltd. 28/09/06 Ressource traduite approuvée par : JP Grimault CTICM 08/12/06 Page 9