Phase avant-projet : Joints de dilatation dans les structures en acier Ce document propose quelques conseils pour la conception de joints de dilatation dans les structures en acier. Sommaire. Contexte. Effets des variations de température 3 3. Traitement des joints de dilatation 5 4. Références 0 Page
. Contexte La performance d'un bâtiment peut être influencée par plusieurs phénomènes physiques dont les effets sont difficilement quantifiables : Variations de température et dilatation thermique Tassement différentiel des fondations Fluage et retrait lors du durcissement du béton Vibrations Pour les petits bâtiments et les constructions courantes, ces phénomènes peuvent être le plus souvent ignorés. Pour une construction de grande dimension, ou en cas de circonstances particulières, il convient d'adopter une ou plusieurs des dispositions constructives suivantes pour absorber les mouvements relatifs prévisibles entre différentes parties de la structure : Joints de dilatation : ces joints permettent d absorber les déplacements liés à la dilatation ou au retrait des matériaux sous les effets des changements de température. Leur spécification dépend des variations prévisibles de température et du coefficient de dilatation thermique des matériaux (voir section ). Joints de retrait : ces joints contrôlent le retrait du au séchage des planchers et des dallages en béton. Joints de rupture : ces joints permettent les déformations différentielles des parties de bâtiment qui sont de hauteur ou de forme différentes. Joints de tassement : ces joints sont des dispositifs spéciaux qui limitent l'effet des tassements différentiels des fondations. Les flèches indiquent les efforts de poussée dus à la dilatation lorsque celle ci est bloquée. Figure. Effets de la restriction de la dilatation dans un bâtiment de grande longueur = joint de rupture Figure. Séparation d'un bâtiment en blocs indépendants Page
La conception et le dimensionnement des structures de bâtiment doivent prendre en compte la position de ces joints et notamment leur influence sur l'analyse et le comportement global de la structure. Ces joints doivent être étudiés pour absorber l amplitude prévisible des déplacements horizontaux et/ou verticaux. La position, la conception et le dimensionnement des contreventements verticaux et horizontaux doivent être compatibles avec la position de ces joints. La position des contreventements ne doit pas entraver les mouvements pour lesquels les joints ont été prévus. Chaque partie distincte d'un bâtiment doit être adéquatement contreventée. Tous les autres composants d'un bâtiment et de ses équipements (par exemple un convoyeur) doivent également prendre en compte la position des joints et la valeur prévisible de leurs déplacements. Les joints de dilatation sont les joints les plus courants; ils sont présentés de façon plus détaillée ci-dessous. Les autres types de joints requièrent généralement une conception particulière qui n est pas couverte dans le cadre du présent document.. Effets des variations de température L'EN 99--5 donne les principes et les règles de calcul des effets thermiques sur les bâtiments, les ouvrages d'art et autres structures ou éléments de structure []. Les valeurs des températures de l'air à l'ombre, maximale T max et minimale T min devront être spécifiées par les Annexes Nationales de l'en 99--5. Pour les structures en acier avec un coefficient de dilatation thermique linéaire α = x 0-6 par C (tel que donné dans le 3..6 de l'en 993-- []), les effets des variations de température peuvent être significatifs. Lors de l'évaluation des variations de température, il est important de faire la distinction entre ossatures métalliques intérieures et extérieures. Ces dernières sont généralement soumises à de plus grandes variations que les structures intérieures. Par exemple, pour des ossatures extérieures pouvant être exposées à une plage de températures de -3 C à + 35 C (valeurs à ajuster en fonction des annexes nationales de l EN 99--5), par rapport à leur température de construction, la dilation/contraction naturelle de l acier varie de - 0,3 à + 0,4 mm par mètre de longueur du bâtiment. En pratique, la dilatation est toujours partiellement soit bloquée ou soit absorbée par les jeux d assemblage de la structure et les mouvements sont en réalité légèrement plus faibles. Ces mouvements thermiques peuvent provoquer : L'endommagement des appuis, y compris la fissuration, voire l'instabilité, des murs porteurs de longues poutres ou de treillis ; La ruine des assemblages ; Des efforts internes importants, plus particulièrement dans les structures hyperstatiques. Page 3
. Conception et calcul de bâtiments industriels courants en acier Dans les bâtiments industriels courants en acier, la stabilité transversale est généralement assurée par un système de portique, tandis que la stabilité longitudinale est assurée par un contreventement vertical. Deux cas peuvent être considérés : Pour les portiques, les effets de la dilatation peuvent être pris en compte par calcul, Pour les stabilités verticales longitudinales, les effets de la dilatation peuvent être pris en compte lors de la conception et du dimensionnement du contreventement vertical. Une part de la dilatation des composants structuraux dans la direction longitudinale peut généralement être absorbée par le glissement des assemblages. En alternative, il convient de prévoir des joints de dilatation lorsque le différentiel de température devient important (structures extérieures ou construction non isolée), ou si le glissement des assemblages devient insuffisant pour absorber toute la dilatation thermique. La longueur de bâtiment au-delà de laquelle des joints de dilatation sont recommandés varie selon les pays. Par exemple, en France, avec un climat continental, les joints de dilatation sont recommandés pour les longueurs de dilatation supérieures à 50 m, c'est-à-dire pour une longueur de bâtiment de 00 m avec contreventement à mi-longueur. Au Royaume-Uni, avec un climat plus tempéré et des traditions de construction différentes, des joints de dilatation ne sont recommandés que pour des longueurs de bâtiment supérieures à 50 m. Même au-delà de ces longueurs, les règles de l art permettent d omettre les joints de dilatation si les éléments principaux tels que pannes, poutres et chemins de roulement sont calculés pour résister aux contraintes dues aux effets de la dilatation. Position des contreventements verticaux : La disposition de contreventements verticaux aux deux extrémités d'un bâtiment est déconseillée en l absence de joint de dilatation intermédiaire. Une telle disposition empêcherait la dilatation des barres longitudinales et pourrait induire des efforts importants dans les composants structuraux des longs pans du bâtiment et dans leurs assemblages. Pour les bâtiments de grande longueur, il est recommandé de ne prévoir qu'un seul contreventement vertical au milieu des longs pans, permettant ainsi la dilatation dans les deux directions vers les extrémités du bâtiment. Figure. Dispositions des contreventements NON recommandées Page 4
() () < 50m to 75m < 50 m to 75m Contreventement permanent Contreventement provisoire nécessaire pour la stabilité de montage. Lorsque le montage du bâtiment doit commencer à une extrémité, il est nécessaire de prévoir un contreventement provisoire afin de stabiliser le montage des deux premiers portiques. Il convient ensuite de retirer ce contreventement provisoire. Figure. Dispositions des contreventements recommandées. Cas particuliers Profils composés Les composants des profils composés peuvent parfois être soumis simultanément à des températures très différentes, par exemple dans le cas d'un élément composé de deux membrures dont l une est située à l'extérieur et l autre à l'intérieur d'un bâtiment. Les efforts induits dans les barres en treillis ou les traverses de liaison par ces différences locales de température doivent être pris en compte dans leur calcul. Montage De la même façon, si l'ossature est montée par temps exceptionnellement chaud ou froid, le réglage des éléments de structure doit être effectué afin de leur permettre de revenir à une position conforme aux tolérances de pose lorsque la température redevient normale. Incendie Il peut aussi être nécessaire d'assurer la libre dilatation de la structure en acier en cas d'incendie, afin d'assurer une meilleure stabilité au feu des éléments de la structure. 3. Traitement des joints de dilatation La fonction principale des joints de dilatation est d'absorber les effets des dilatations ou retraits thermiques des matériaux au cours de la vie du bâtiment. Si nécessaire, ils peuvent aussi agir en tant qu'autres types de joints : Joints de rupture Joints de tassement. La conception et le calcul des joints de dilatation, doivent prendre en compte : L'architecture du bâtiment ; La géométrie locale et globale de la structure ; Les efforts ou réactions transmis à travers le joint ; Page 5
Les déplacements et rotations spécifiés dans une ou plusieurs directions. Dans la plupart des structures en acier, le joint de dilatation sépare le bâtiment en deux blocs. A l'emplacement du joint, plusieurs solutions sont possibles, telles que décrites aux chapitres 3. à 3.3. 3. Double portique au droit du joint de dilatation Le portique ou la poutre principale sont doublés de part et d autre du joint de dilatation, tel qu'illustré par la Figure 3.. () < 50 m < 50 m < 50 m < 50 m 50 < L < 00 m joint de dilatation Remarque : une longueur de dilatation de 50 m de part et d autre de la stabilité est appropriée dans les régions au climat continental; une longueur de 75 m est possible dans les régions au climat plus tempéré. Figure 3. Position type des contreventements dans un bâtiment de grande longueur Les pannes sont posées avec un porte-à-faux laissant un jeu suffisant pour absorber la dilatation prévisible. Page 6
3 3 Avec échantignole Sans échantignole Entraxe des portiques Déplacement maximum 3 Axe du joint de dilatation Remarque : avec des pannes minces formées à froid, il est préférable d'utiliser des échantignoles. Celles-ci peuvent être omises si des pannes laminées à chaud sont employées. Figure 3. Double portique au droit du joint de dilatation. Avantages Possibilité d'absorber des déplacements horizontaux et verticaux importants, Emploi de liaisons et d'assemblages classiques entre éléments de la structure, Possibilité de séparer les deux parties du bâtiment vis-à-vis de l'état limite de résistance au feu de la structure. Un mur pare-feu ou coupe feu peut être facilement construit au droit du joint de dilatation. Solutions recommandées dans les régions sismiques (dans ce cas, le joint doit satisfaire aux règles sismiques de conception et de calcul relatives à l'espacement entre blocs). Inconvénients : Modification de la trame du bâtiment, Doublement des travaux de fondation, Nécessité d'un portique supplémentaire, Conséquences importantes sur la conception des joints utilisés pour le bardage, la toiture et l'étanchéité, Coûts élevés. Au droit des joints de dilatation, il est important d étudier plus particulièrement le bardage et la toiture afin d'éviter la pénétration d'eau et d optimiser l'étanchéité à l'air. Page 7
3. Assemblage avec trous oblongs Joint de dilatation Dilatation maximale Sans cornière Avec cornière Figure 3.3 Assemblages avec trous oblongs Avantages Economie de matériaux Fabrication simple Faibles coûts Possibilité d'insérer une plaque en acier inoxydable entre deux feuilles de PTFE (par exemple Téflon), et entre deux composants de la structure pour assurer un meilleur glissement. Inconvénients : Solution limitée à de petits déplacements, Réglage délicat sur le chantier de la position initiale des boulons dans les trous oblongs, Non recommandé en zone sismique Au droit des joints de dilatation, il est important d étudier plus particulièrement le bardage et la toiture afin d'éviter la pénétration d'eau et d optimiser l'étanchéité à l'air. 3.3 Utilisation d'appuis spéciaux S'il est nécessaire de transférer des charges élevées au droit du joint de dilatation, plusieurs types d'appuis structuraux peuvent être utilisés. Ceux-ci font l'objet de normes particulières rassemblées sous la norme européenne EN 337 [3]. Deux types courants d'appuis sont présentés ci-dessous. Page 8
3.3. Appuis en élastomère fretté Ces systèmes d'appui, composés d'un élastomère laminé épais (avec plaques de renforcement en acier collées entre les couches d'élastomère), permettent le déplacement horizontal par déformation en parallélogramme de la couche élastomère. L'épaisseur de l'élastomère est calculée en fonction de la charge verticale et des exigences de rotation et de déplacements horizontaux. Lorsque les déplacements horizontaux sont importants, une plaque d'appui en PTFE (par exemple Téflon) et une plaque en acier inoxydable peuvent être ajoutées pour assurer un meilleur glissement. 3 4 5 Plaque en acier Elastomère dur 3 Plaque en acier inoxydable 4 Feuille de PTFE (par exemple Téflon) 5 Elastomère laminé Figure 3.4 Appui en élastomère fretté Avantages Possibilité d'absorber également une rotation et des petits déplacements verticaux (tassement différentiel des poteaux) à l'appui de la poutre. Inconvénients : Conception plus couteuse du poteau porteur Conception, calcul et mise en œuvre plus délicats 3.3. Appuis à pot Ces appuis spéciaux permettent également d amortir les oscillations et les vibrations au sein de la structure. Ainsi qu illustré par la Figure 3.5, un appui à pot peut permettre le glissement unidirectionnel ou multidirectionnel, ainsi que la rotation à l'appui. Généralement, les appuis à pot comportent une base support, un amortisseur, un piston (avec guide si le mouvement est bloqué dans une direction) et une plaque de glissement. Page 9
3 4 5 6 7 Clavette guide en acier Plaque supérieure en acier 3 Feuille en acier inoxydable 4 PTFE (par exemple Téflon) 5 Piston en acier 6 Tampon élastomère 7 Pot en acier Figure 3.5 Appui à pot Avantages Développé pour les ouvrages d'art et les structures supportant des charges très élevées. Inconvénients : Coût élevé. A cause de leur coût élevé et de charges de structure relativement faibles, ils sont rarement utilisés dans les bâtiments. 4. Références EN 99--5 : Eurocode : Actions sur les structures Partie -5 : Actions générales Actions thermiques EN 993-- : Eurocode 3 : Calcul des structures en acier Partie - : Règles générales et règles pour les bâtiments 3 EN 337 : Appareils d'appui structuraux ( Parties) Page 0
Enregistrement de la qualité TITRE DE LA RESSOURCE Phase avant-projet : Joints de dilatation dans les structures en acier Référence(s) DOCUMENT ORIGINAL Nom Société Date Créé par Valérie LEMAIRE CTICM 09//05 Contenu technique vérifié par Alain BUREAU CTICM 09//05 Contenu rédactionnel vérifié par Contenu technique approuvé par les partenaires STEEL :. Royaume-Uni G W Owens SCI /3/05. France A Bureau CTICM /3/06 3. Suède A Olsson SBI /3/06 4. Allemagne C Müller RWTH /3/06 5. Espagne J Chica Labein /3/06 Ressource approuvée par le Coordonnateur technique G W Owens SCI 8/6/06 DOCUMENT TRADUIT Traduction réalisée et vérifiée par : eteams international Ltd. 03/05/06 Ressource traduite approuvée par : V. Lemaire CTICM 0/06/06 Page