Phase avant-projet : coordination des conceptions structurale et architecturale pour les bâtiments multiétagés à ossature en acier Fournit des informations nécessaires à la prise de décisions efficaces lors des premiers stades de conception de la structure principale d'un bâtiment multi-étagé. Contenu 1. Trame des planchers 2 2. Influence de la hauteur du bâtiment 3 3. Agencement en plan 4 4. Agencement en élévation : Hauteurs d étage 6 5. Agencement en élévation : structure 6 6. Agencement en élévation : équipements 6 7. Choix de la structure horizontale 7 8. Domaine de portée des systèmes structuraux 11 9. Avantages des constructions de grande portée 11 10. Quantités d acier approximatives 12 Page 1
1. Trame des planchers a trame des planchers détermine l espacement des poteaux dans les directions orthogonales, qui est fonction de : a trame de base (généralement basée sur des multiples de 300 mm et typiquement 1,2 m ou 1,5 m). espacement des poteaux de façade, fonction du matériau la constitutif. utilisation de l espace intérieur (bureaux individuels ou «open space»). la distribution des réseaux et équipements techniques du bâtiment (depuis le noyau du bâtiment). l espacement des poteaux de façade est normalement défini par la nécessité de fournir un support au système de parement (par exemple, un maximum de 6 m est normalement nécessaire pour un parement en briques). Ceci influence l espacement des poteaux intérieurs à moins que des poteaux supplémentaires ne soient placés en façade. a portée des poutres de plancher d un bâtiment correspond généralement à une des trames suivantes de disposition des poteaux : File unique de poteaux intérieurs, décalée par rapport à l axe du couloir central. Double file de poteaux intérieurs de part et d autre du couloir. Pour les bureaux à ventilation naturelle, une largeur de bâtiment de 12 à 16 m est courant et elle peut être obtenue au moyen de deux travées de 6 à 8 m. éclairage naturel joue aussi un rôle dans le choix de la largeur de la dalle de plancher. a trame des poteaux pour une file décalée de poteaux intérieurs est illustrée par la Figure 1.1. Autre conception : l utilisation de poutres à grande portée offre une souplesse d agencement beaucoup plus grande. Pour les bureaux climatisés, une portée libre de 15 à 18 m est souvent utilisée, bien que pour les bureaux «profonds» (deep plan), une trame de 9 x 9 m puisse aussi être adoptée. Un exemple de trame de poteaux pour une option «grande portée» dans un bâtiment comportant un grand atrium est illustré par la Figure 1.2. E E 6 m 7,5 m 6 m S T T 13,5 48 égende : Ascenseur; S Escaliers; T - Toilettes Figure 1.1 Trame des poteaux pour un immeuble de bureaux à ventilation naturelle Page 2
15 30 7,5 7,5 15 m 15 m T S S T 45 7,5 m 7,5 m S E 60 E égende : Ascenseur; S Escaliers; T - Toilettes Figure 1.2 Trame des poteaux pour planchers de grande portée dans un immeuble de bureaux de prestige climatisé 2. Influence de la hauteur du bâtiment a hauteur du bâtiment influence fortement : e choix du système structural. e système de fondation. es exigences de résistance au feu et les moyens d évacuation. es accès (par ascenseurs) et les espaces de circulation e système de parement. a vitesse de construction et la productivité du chantier. a structure du bâtiment est d abord conçue en fonction du système de stabilité retenu. Pour les immeubles de 8 étages au plus, on utilise en général un contreventement vertical en acier. Pour les immeubles plus élevés, des noyaux en béton judicieusement positionnés sont le plus souvent utilisés, mais le recours à des systèmes de contreventement en acier reste possible et efficace. Pour les immeubles de grande hauteur, différents systèmes de contreventement externes sont utilisés. eur description est en dehors du domaine d application de ce document. es dimensions des ascenseurs et leur vitesse de déplacement deviennent également des paramètres importants pour les bâtiments élevés. Suivant les règlements en vigueur relatifs à Page 3
la sécurité incendie d un pays donné, la mise en œuvre de différents systèmes de protection passive et/ou active peut être exigée en fonction de la hauteur du bâtiment. 3. Agencement en plan agencement en plan est régi par la nécessité de définir des zones d accès vertical, d évacuation sécurisée et de distribution verticale des réseaux et équipements techniques. es noyaux qui en résultent sont utilisés pour stabiliser le bâtiment et transmettre les efforts horizontaux aux fondations dans la mesure du possible. a position des noyaux est influencée par : a distribution horizontale des services. es exigences de résistance au feu, qui peuvent imposer des parcours d évacuation raccourcis et une réduction de la taille des compartiments. a nécessité de disposer les systèmes de stabilité de la structure de façon plus ou moins symétrique dans le plan du bâtiment. es Figure 1.1 et Figure 1.2 illustrent des dispositions habituelles de noyaux qui satisfont ces critères. a stabilité globale peut être assurée par un contreventement vertical, ou par un noyau en béton ou en acier contreventé pour les bâtiments plus élevés. Dans les bâtiments stabilisés par un noyau en béton, les poutres sont souvent positionées directement entre le noyau et les poteaux situés sur le pourtour du bâtiment. Une attention particulière doit être portée aux points suivants : assemblage des poutres au noyau en béton. e calcul des poutres principales plus chargées à l angle du noyau. a sécurité incendie et la résistance des poutres à grande portée. 15 m 12 m 12 m 15 m Figure 3.1 Disposition des poutres de plancher autour d un noyau en béton Page 4
a réalisation d un atrium permet d améliorer l éclairage des espaces occupés et de créer des aires de circulation au rez-de-chaussée et aux niveaux intermédiaires. es exigences de conception des atriums concernent : a reprise de la toiture de grande portée de l atrium. es voies d accès pour la circulation générale. les mesures de sécurité incendie incluant l extraction des fumées et l existence des voies d évacuation sûres. e niveau d éclairage et la desserte des bureaux intérieurs. Un exemple de structure supportant la toiture d un atrium constituée de tubes courbes en acier est illustré par la Figure 3.2. Figure 3.2 Structure constituée de tubes en acier supportant une couverture d atrium Page 5
4. Agencement en élévation : Hauteurs d étage a hauteur de plancher à plancher est basée sur une hauteur de plancher à plafond de 2,5 à 2,7 m pour les bureaux courants, ou de 3,0 m pour les ensembles plus prestigieux, à laquelle il convient d ajouter l épaisseur du plancher, réseaux et équipements techniques inclus Il convient de prendre en compte, au stade de l avant-projet, les valeurs suivantes de la hauteur plancher-plancher : Bureaux de prestige 3,8 4,2 m Bureaux courants 3,5 4,0 m Projets de rénovation 3,5 3,9 m Ces fourchettes permettent d envisager diverses solutions structurales. Si, pour des raisons de programmation, il est nécessaire de limiter la hauteur d ensemble du bâtiment, ceci peut être réalisé au moyen de systèmes de planchers minces ou à poutres intégrées. es planchers minces sont souvent utilisés dans les projets de rénovation où la hauteur de plancher à plancher est imposée par la compatibilité avec les existants conservés. 5. Agencement en élévation : structure Au stade de l avant-projet, les rapports portée/hauteur suivants (de la poutre en acier) peuvent être utilisés pour déterminer la hauteur de la structure du plancher : Poutres mixtes Rapport portée/hauteur 25 Poutres cellulaires Rapport portée/hauteur 25 Poutres principales P.R.S. Rapport portée/hauteur 20 Planchers minces ou à poutres intégrées Rapport portée/hauteur 25 Il convient d y ajouter l épaisseur de la dalle pour définir la hauteur hors-tout de la structure de plancher (sauf pour les planchers minces où la dalle est intégrée dans la hauteur de la poutre). Par conséquent, pour une poutre mixte de 12 m de portée, la hauteur de la structure de plancher est de 480 mm plus une épaisseur de dalle de 120 à 150 mm, soit un total approximatif de 600 mm. épaisseur de la protection incendie (30 mm nominal)et une provision pour les flèches doivent aussi être prises en compte. 6. Agencement en élévation : équipements à où la structure et les équipements sont superposés, ajouter ce qui suit à l épaisseur de la structure : Plancher surélevé 150 à 200 mm Équipement de climatisation Plafond et éclairage 400 à 500 mm 120 à 250 mm Page 6
Il est néanmoins possible de réduire de façon notable la hauteur hors-tout par l intégration des équipements dans la hauteur de la structure. Ceci est particulièrement efficace pour les grandes portées. Au stade de l avant-projet, les «fourchettes» suivantes peuvent alors être utilisées pour les épaisseurs de planchers : Construction mixte 800 1200 mm Poutres cellulaires (avec intégration des réseaux et équipements techniques) Planchers minces ou à poutres intégrées 800 1100 mm 800 1000 mm 7. Choix de la structure horizontale es options les plus appropriées à la conception des poutres de plancher sont : Poutres mixtes (avec dalle mixte) Portées de 6 à 13 m Poutres non mixtes (avec dalles préfabriquées) Poutres mixtes partiellement enrobées Poutres cellulaires ou P.R.S. (avec dalle mixte) Planchers minces ou à poutres intégrées Portées de 6 à 9 m Portées de 6 à 12 m Portées de 8 à 18 m Portées de 5 à 9 m Ces différentes conceptions sont illustrées par la Figure 7.1. (1) (2) (3) (4) égende : 1. Poutre mixte 2. Poutre partiellement enrobée 3. Poutre intégrée 4. Poutre pour plancher mince Figure 7.1 Différentes conceptions utilisées pour les planchers Page 7
es poutres mixtes reçoivent une dalle mixte, qui porte entre poutres. Pour la constitution d une poutraison bi-directionnelle, deux dispositions sont couramment retenues : Poutres secondaires de grande portée, supportées par des poutres principales de portée plus faiblee (voir Figure 7.2). Dans ce cas, la section des poutres peuvt être déterminée de façon à ce que les poutres principales et secondaires soient approximativement de même hauteur. Poutres principales de grande portée, supportant des poutres secondaires de portée plus faible (voir Figure 7.3). Dans ce cas, les poutres principales sont relativement hautes. es poutres cellulaires sont plus efficaces lorsqu elles sont utilisées comme poutres secondaires de grande portée, tandis que les P.R.S. sont plus efficaces comme poutres principales de grande portée où les efforts tranchants sont plus élevés. Il est aussi possible d éliminer les poutres secondaires en utilisant des dalles mixtes de grande portée et des poutres principales directement attachées aux poteaux. 9-15 m 6-9 m 130 450 300-450 450-600 Figure 7.2 Poutres secondaires de grande portée (le sens de portée de la dalle est indiqué) Page 8
9-15 m 6-9 m 130 500-700 300 600-900 2400 Figure 7.3 Poutres principales de grande portée et poutres secondaires de portée plus faible (le sens de portée de la dalle est indiqué) Dans la conception «poutres intégrées», les poutres principales portent directement entre poteaux et les poutres secondaires sont éliminées. Pour ce type de plancher, on utilise en général une trame à peu près carrée, telle qu illustrée par la Figure 7.4. a dalle est portée par la semelle inférieure tendue de la poutre et peut être une dalle mixte épaisse ou une dalle alvéolaire en béton. Page 9
6-9 m Phase avant-projet : coordination des conceptions structurale et architecturale 5-9 m (3) (1) 225 300-350 (2) égende : 1. Poutre intégrée 2 Poutre de liaison 3 Dalle mixte épaisse ou dalle alvéolaire en béton Figure 7.4 Poutres intégrées ou plancher mince ( le sens de portée de la dalle est indiqué) Page 10
8. Domaine de portée des systèmes structuraux e domaine de portée des poutres pour les diverses options structurales en acier et en béton est défini par la Figure 8.1. es conceptions à base de poutres en acier de grande portée (supérieure à 12 m) permettent généralement l intégration des réseaux et équipements techniques es poutres cellulaires et les treillis mixtes sont plus efficaces pour constituer les poutres secondaires de grande portée, tandis que les P.R.S. sont plus appropriées pour les poutres principales. Dalle de béton armé à sous-face plane Poutres de plancher mince et dalle mixte de forte épaisseur Poutres intégrées avec dalles préfabriquées Poutres et dalles en béton armé Dalle à sous-face plane en béton précontraint Poutres et dalles mixtes Poutres PRS avec ouverture dans l âme Poutres mixtes alvéolaires Treillis mixtes Portée (m) 6 8 10 13 16 20 Figure 8.1 Domaine de portée pour diverses options structurales 9. Avantages des constructions de grande portée es poutres de grande portée ont gagné en popularité dans le secteur des bâtiments commerciaux du fait des avantages qu elles induisent lors de la conception et la réalisation du bâtiment : es poteaux intérieurs sont éliminés, permettant un usage plus souple et plus efficace de l espace construit. es réseaux et équipements techniques peuvent être intégrés dans la hauteur de la structure, ce qui évite d avoir à augmenter la hauteur de plancher à plancher. Moins de composants sont requis (généralement 30 % de poutres en moins) ce qui réduit les délais de fabrication et de mise en oeuvre. es coûts de protection incendie peuvent être réduits grâce à la massiveté des poutres de grande portée. Page 11
o En cas d utilisation de poutres cellulaires, les conduits circulaires multiples pour les réseaux et équipements techniques sont plus économiques que les conduits rectangulaires. es coûts de la structure métallique n augmentent pas de façon significative en dépit des plus grandes portées. augmentation du coût global des bâtiments est négligeable (moins de 1 %). 10. Quantités d acier approximatives En phase d avant-projet, les quantités d acier à mettre en œuvre pour réaliser un immeuble de bureaux à base rectangulaire peuvent être estimées. Ces quantités augmentent de façon significative pour les immeubles non rectangulaires ou de grande hauteur, ou pour ceux qui comportent un atrium ou des façades complexes. Des valeurs approximatives de ces quantités sont données ci-dessous, exprimées par mètre carré de plancher, et ne comprennent pas l acier utilisé pour les façades, l atrium ou la toiture. Tableau 10.1 Quantités d acier approximatives pour estimations Forme du bâtiment Bâtiments rectangulaires de 3 ou 4 étages Quantités approximatives d acier (kg/m 2 de plancher) Poutres Poteaux Contreventement Total 25 30 8 10 2 3 35 40 Bâtiments rectangulaires de 6 à 8 étages 25 30 12 15 3 5 40 50 Bâtiments de 8 à 10 étages avec poutres de grande portée Bâtiments de 20 étages avec noyau en béton Bâtiments de 20 étages avec noyau en acier contreventé 35 40 12 15 3 5 50 60 40 50 10 13 1 2 55 65 40 50 20 25 8 10 70 85 Page 12
Enregistrement relatif à la qualité TITRE DE A RESSOURCE Phase avant-projet : coordination des conceptions structurale et architecturale Référence(s) DOCUMENT ORIGINA Nom Société Date Créé par R.M. awson SCI Jan 05 Contenu technique vérifié par G.W. Owens SCI Mai 05 Contenu rédactionnel vérifié par D.C. Iles SCI Mai 05 Contenu technique approuvé par les partenaires STEE : 1. Royaume-Uni G.W. Owens SCI 26/5/05 2. France A. Bureau CTICM 26/5/05 3. Suède A. Olsson SBI 26/5/05 4. Allemagne C. Mueller RWTH 11/5/05 5. Espagne J. Chica abein 20/5/05 6. uxembourg M. Haller PARE 26/5/05 Ressource approuvée par le Coordonnateur technique G.W. Owens SCI 10/6/06 DOCUMENT TRADUIT Traduction réalisée et vérifiée par : eteams International td. Ressource traduite approuvée par : A.Bureau CTICM 01/11/05 Page 13