Phase avant-projet : Conception économique d'ossatures pour des bâtiments en acier ou mixtes acier-béton de faible et moyenne hauteur Ce document présente et définit les principaux modèles de conception d'une ossature en acier et mixte acier-béton pour des bâtiments à plusieurs niveaux. Il présente les principaux choix à la disposition du projeteur et fournit des conseils sur le choix le plus économique pour un projet particulier. Sommaire 1. Introduction 2 2. Domaine d application 2 3. Concepts principaux, définitions et incidence sur la conception 3 4. Choix entre une ossature à assemblages articulés et une ossature continue 8 5. Conseils pour un choix économique d'ossature pour un bâtiment 9 Page 1
1. Introduction Un large éventail de conceptions structurales peut être envisagé pour un bâtiment à ossature en acier de hauteur faible ou moyenne. Dans les limites de la norme EN 1993-1-1, plusieurs options sont données en ce qui concerne : La résistance aux charges horizontales Les variations tenant compte de la rigidité horizontale Le traitement des imperfections, aussi bien globales que locales Le calcul d'une ossature à assemblages articulés, d une ossature semi-continue ou continue. En conséquence, l EN 1993-1-1 traite de manière complète un très large éventail d'ossatures. La diversité d'approches qui en résulte a de quoi laisser perplexes la plupart des projeteurs de constructions en acier, hormis les plus expérimentés. Le présent document s'attache donc à présenter un nombre limité d'approches simplifiées portant aussi bien sur le choix d'ossatures que sur la méthode d'analyse. La sécurité sera assurée pour chacune de ces approches, et dans la plupart des cas, l approche ainsi choisie s'avérera la solution de conception la plus économique. Il faut noter que la très grande majorité des ossatures à plusieurs étages sont tridimensionnelles et agencées selon une grille horizontale orthogonale, c'est-à-dire avec des poutres primaires et secondaires placées dans des directions perpendiculaires les unes par rapport aux autres. La résistance aux actions horizontales et la garantie d'une stabilité latérale doivent être envisagées indépendamment l'une de l'autre dans ces deux directions principales. Il se peut qu'il faille adopter des solutions différentes pour chacune des deux directions. 2. Domaine d application Ces conseils concernent des bâtiments de hauteur faible et moyenne, à étages multiples, pour tous les secteurs d'application et plus particulièrement pour les bâtiments commerciaux et résidentiels. On entend par bâtiments de hauteur faible et moyenne ceux pour lesquels les exigences de résistance à des charges horizontales et de stabilité latérale n'ont pas de conséquences majeures sur la forme structurale. Pour les bâtiments de proportions normales dans des régions non sismiques, un maximum de 10 étages peut être considéré comme limite supérieure. Page 2
3. Concepts principaux, définitions et incidence sur la conception 3.1 Ossatures contreventées et non contreventées Comme le montre la Figure 3.1, une ossature contreventée résiste aux déplacements horizontaux d'une des deux façons suivantes : Soit en reliant la structure en acier à un noyau rigide en béton, généralement utilisés pour les ascenseurs, les réseaux, les équipements techniques et les escaliers. Soit par la mise en place d un système de contreventement. 1 2 Légende : 1 Voile en béton 2 Porte (a) (b) (c) Figure 3.1 Types d'ossatures contreventées : (a) Noyau rigide en béton, (b) Contreventement en V renversé, (c) Autres types de contreventement par triangulation Page 3
Lorsque l'usage prévu du bâtiment ne permet pas d'utiliser un contreventement en croix de Saint-André, celui-ci peut être remplacé par un contreventement constitué de portiques de stabilité. Comme le montre la Figure 3.2, pour être efficaces, le noyau rigide ou les palées de stabilité doivent être positionnés plus ou moins symétriquement dans le plan d ensemble du bâtiment. Lorsque le bâtiment est divisé en deux parties par un joint de dilatation, chaque partie doit être considérée comme formant un bâtiment à part entière. Les planchers transmettent des actions horizontales d ensemble par effet de diaphragme vers les noyaux rigides ou les palées de stabilité. Page 4
A 2 A 1 1 A - A Légende 1. Voile en béton 2. Portes (a) (b) Figure 3.2 Positionnement efficace pour la résistance aux actions horizontales : (a) Noyau en béton entourant les cages d'escaliers, d'ascenseurs, de réseaux et équipements techniques, etc... (b) Noyau rigide constitué de palées de stabilité en croix de Saint-André, (c) Palées de stabilité rigides non regroupées sous la forme d un noyau (c) Page 5
Comme l'illustre la Figure 3.3, les ossatures non contreventées résistent aux déplacements horizontaux grâce aux moments de flexion et aux efforts tranchants développés dans les poteaux et les poutres. Il convient de souligner que les moments dans les poutres provenant des actions horizontales sont maximaux au droit de l assemblage sur les poteaux. Il est donc impératif que les assemblages dans de telles ossatures soient capables de transférer des moments importants entre poutres et poteaux. Figure 3.3 Moments de flexion dans les poutres et les poteaux dus aux actions horizontales dans une ossature non contreventée à plusieurs étages et à une seule travée L effet des actions horizontales peut être : Réparti entre toutes les ossatures parallèles du bâtiment, voir section 5.3 pour de plus amples renseignements. Concentré sur des "portiques de stabilité judicieusement positionnés", voir section 5.4 pour de plus amples renseignements. 3.2 Rigidité horizontale des ossatures Dans l EN 1993-1-1 5.2, la rigidité horizontale d'une ossature influe sur le choix de la méthode d'analyse. Il est possible d'utiliser une analyse au premier ordre pour les ossatures qui satisfont aux exigences de rigidité visées dans l EN 1993-1-1 5.2. Une procédure de calcul permettant une analyse au premier ordre est donnée dans le document SF015a-FR-EU. Il est recommandé de tenir compte des effets des déformations pour toutes les autres ossatures. Les procédures de calcul sont données dans le document SF002a-FR-EU. Bien que toutes les ossatures présentent, dans une certaine mesure, des déplacements horizontaux, elles sont souvent regroupées en deux catégories : les ossatures rigides et les ossatures souples, en fonction de la sensibilité à ces déplacements horizontaux. Il est recommandé d'inclure les effets de géométrie déformée (effets du second ordre) dans l'analyse des ossatures souples. Il est probable qu'une ossature comportant un contreventement léger se comporte de la même manière qu'une «ossature souple». Page 6
3.3 Ossature à assemblages articulés, ossature semicontinue et ossature continue Cette classification de types d ossature se base sur les types d'assemblages poutre-poteau, illustrés à la Figure 3.4. (a) (b) (c) Figure 3.4 Types d'assemblage poutre-poteau : (a) nominalement articulé, (b) semi-rigide, (c) rigide Dans une ossature à assemblages articulés, les assemblages poutre-poteau ne transmettent au poteau, que des efforts tranchants au droit des extrémités des poutres. Les dimensions des assemblages doivent permettre une rotation suffisante des extrémités des poutres afin qu elles soient conçues en toute sécurité comme des poutres simplement appuyées. Dans les ossatures semi-continues, les assemblages semi-rigides poutre-poteau transmettent en plus des moments de flexion significatifs entre l'extrémité de la poutre et le poteau. Toutefois, la rotation locale dans l'assemblage associée à ces moments de flexion est suffisamment importante pour qu'elle influe sur la distribution globale des moments dans Page 7
l'ossature. L'analyse globale d une ossature semi-rigide nécessite de modéliser correctement le comportement des assemblages, elle est donc un peu complexe à réaliser. Dans une ossature continue, les assemblages poutre-poteau sont parfaitement rigides. L'analyse globale n'a donc pas à tenir compte des rotations locales dans les assemblages. Ces assemblages doivent être conçus pour transmettre, aux extrémités de la poutre, dans l ensemble des moments et des efforts tranchants aux poteaux. 3.4 Imperfections Comme indiqué au 5.3 de l EN 1993-1-1, l'analyse et le calcul d'ossatures en acier à plusieurs niveaux doivent impérativement tenir compte des imperfections équivalentes, comprenant aussi bien les effets des contraintes résiduelles que ceux des imperfections géométriques. Pour beaucoup de structures courantes, la façon la plus efficace de tenir compte des imperfections globales consiste à les remplacer par des forces horizontales équivalentes, comme indiqué dans la norme EN 1993-1-1 5.3.2(7). Voir le document SN047 pour obtenir des conseils détaillés sur les imperfections et le document SF007 pour le calcul de contreventement vertical. Les formules de résistance au flambement des barres tiennent compte des imperfections des barres, EN1993-1-1 5.3.4(1). 4. Choix entre une ossature à assemblages articulés et une ossature continue Pour les ossatures non contreventées, la stabilité horizontale est assurée par l effet de portique de l'ossature. Il est donc essentiel d'assurer une continuité de l ossature. L'utilisation d'une ossature semi-continue pour assurer la stabilité horizontale est complexe et n'entre pas dans le champ d application du présent document. Comme on l'a vu au paragraphe 3.1 cidessus, il est possible soit d'adopter la continuité pour l'ensemble des ossatures, soit de la concentrer dans des «portiques de stabilité», auquel cas une ossature simple à assemblages articulés peut être adoptée pour les autres plans parallèles. Pour les ossatures contreventées, le projeteur peut choisir entre une ossature simple à assemblages articulés ou une ossature continue, sur la base de considérations économiques. 1. Lorsque la résistance de l'ossature régit le dimensionnement, l ossature à assemblages articulés doit toujours être le choix retenu. 2. Lorsque la rigidité, et notamment l'état limite de service régit le dimensionnement, une ossature à assemblages articulés est généralement la solution la plus économique. Toutefois, au cas où la hauteur de la poutre est très limitée, les avantages que présente une construction continue méritent d'être envisagés. Avant de s'arrêter sur un choix définitif, il est recommandé d étudier les différentes solutions envisageables, d'en discuter avec le constructeur métallique et d'en établir les coûts. Page 8
5. Conseils pour un choix économique d'ossature pour un bâtiment Les choix à la disposition du projeteur sont présentés par ordre croissant de complexité et, généralement, par ordre décroissant d'économie, c'est-à-dire en commençant par le plus simple et le plus économique. Il est recommandé d'étudier séparément chaque direction principale de la grille de poteaux. Chacune des deux directions peut entraîner des choix différents. Aujourd'hui, l'analyse informatique est très répandue. Chaque paragraphe mentionne son rôle potentiel. 5.1 Ossatures contreventées avec assemblages articulés Ces ossatures utilisent des assemblages simples poteaux-poutres de type articulé, comme le montre la Figure 3.4(a). Le document SN020 donne les hypothèses de calcul recommandées pour des ossatures contreventées. Avantages Assemblages poutre-poteau simples et économiques Dimensions et poids des poteaux réduits au minimum Poutres soumises uniquement à des moments positifs, présentant le meilleur intérêt pour la construction mixte. Analyse simple d'une ossature en acier isostatique, facilitant ainsi l'optimisation du choix des sections des poutres et des poteaux. Inconvénients : Aucun inconvénient pour une construction de faibles dimensions s'il est possible de positionner le système de contreventement, et si la résistance régit le dimensionnement du plancher. Risque que les poutres deviennent non économiques si le dimensionnement du plancher est régi par l'aptitude au service. Si ces ossatures sont dotées d'un système de contreventement rigide, il est possible de les calculer à l aide d une analyse au premier ordre, c'est-à-dire lorsque α cr 10. Le contreventement rigide peut être conféré soit par un noyau en béton, soit par un contreventement triangulé en acier, comme le montre la Figure 3.1. Plus les ossatures sont hautes et plus elles comptent d'étages, plus la dimension du contreventement augmente et peut devenir non économique ou difficile à intégrer dans le cadre des exigences architecturales. Le document T1441 fournit des conseils simples pour veiller à ce que le contreventement triangulé en acier soit dimensionné pour atteindre une valeur α cr 10. Lorsqu'un noyau en béton est prévu, il est supposé que celui-ci confère suffisamment de rigidité horizontale pour garantir une valeur α cr 10 pour la plupart des bâtiments d usage courant de faible et moyenne hauteur (si le projeteur en doute, une analyse modale de stabilité peut être effectuée). L'analyse au premier ordre peut être réalisée manuellement. Le principal avantage Page 9
de l'analyse informatique tient au fait qu'elle permet de gérer les combinaisons d actions et de déterminer les sollicitations déterminantes exercées dans la structure. Lorsque tant sur le plan architectural que sur le plan économique, il est impossible de faire en sorte que le contreventement triangulé présente une valeur α cr 10, un système de contreventement plus léger peut être envisagé. Le document SN047 fournit des conseils pratiques sur la détermination de charges horizontales minimales équivalentes. Le coefficient α cr peut être déterminé de manière approximative manuellement à l aide de l EN 1993-1-1 5.2.1 4(B) pour certains types de structures. En revanche, une analyse informatique adéquate permettra à la fois d'obtenir une valeur exacte de α cr, de gérer les combinaisons d actions et de déterminer les sollicitations déterminantes exercées dans la structure. Il est théoriquement possible de concevoir une ossature avec une valeur α cr inférieure à 3,0, en utilisant une analyse du second ordre conformément à l EN 1993-1-1 5.2.1. Toutefois, l'ossature qui en résulte sera tellement souple dans la direction horizontale qu'elle risque de ne pas répondre aux critères pratiques de déplacement horizontal pour une construction courante. En conséquence, cette approche est à réserver exclusivement à des formes de construction particulières qui ne sont pas envisagées dans le présent document. 5.2 Ossatures contreventées avec assemblages rigides Lorsque la rigidité du plancher régit le dimensionnement, par exemple lorsque la hauteur des poutres est limitée, il peut éventuellement être plus économique de concevoir des assemblages rigides dans une ossature contreventée. Les mêmes considérations de contreventement s'appliquent que pour des ossatures contreventées avec assemblages de type articulé. Il sera nécessaire d'effectuer une analyse globale de l'ossature pour déterminer les sollicitations internes dans les poteaux, les poutres, les barres de contreventement et les assemblages. Un calcul plastique peut s'avérer utile pour ce genre d'ossatures. Avantages Les assemblages poutre-poteau rigides améliorent très nettement la rigidité des systèmes de plancher, pour en assurer leur aptitude au service dans le cas de grandes portées et/ou de hauteur de poutre limitée. Inconvénients : La masse des poteaux, et tout particulièrement celle des poteaux extérieurs, augmente très nettement pour pouvoir résister aux moments de flexion. Les assemblages poutre-poteau rigides coûtent cher. Il est probable que, dans les poutres, les moments de flexion déterminants se situent au droit des appuis, réduisant ainsi de beaucoup les avantages d'une construction mixte. L'analyse globale est complexe et complique l'optimisation du dimensionnement des barres. Il est essentiel de procéder à une analyse informatique : pour déterminer les sollicitations internes dans les poutres et les poteaux Page 10
pour déterminer la répartition de l'action horizontale entre le système de contreventement et le reste de l'ossature pour déterminer la valeurα cr Lorsqu'il est possible de recourir à une analyse informatique au second ordre, cela est sans doute plus efficace que d utiliser l'approche par amplification de l EN 1993-1-1 5.2.1 (3). 5.3 Structures souples non contreventées Généralités Lorsque sur le plan architectural, il n est pas possible de prévoir un système de contreventement, il convient de concevoir l ossature comme continue ou semi-continue pour assurer la stabilité horizontale et résister aux actions horizontales. L ossature semi-continue est complexe et n'entre donc pas dans le domaine d application du présent document. Concevoir une structure hautement redondante est aussi assez complexe. Il est important de bien choisir les dimensions des profilés pour assurer au final un résultat économiquement acceptable. 1. Utiliser le document SN012 pour dimensionner les poteaux. Ces tableaux tiennent compte de façon approximative des effets simultanés de la charge axiale et du moment. 2 wl 2. Dimension des poutres pour, où w correspond à la charge répartie par unité de 12 longueur et l correspond à la portée de la poutre. 3. Pour commencer, effectuer une analyse du premier ordre distincte pour les actions horizontales et les actions verticales, utiliser ensuite l EN 1993-1-1 5.2.1(4)B pour estimer α cr et vérifier que la structure est conforme aux limites de déplacement horizontal (voir le document SN034). Les effets du second ordre doivent être inclus dans l'analyse. Si α cr 3,0, EN 1993-1-1 5.2.2 (5)B et (6)B permettent d'utiliser une approche de sollicitations amplifiées vis-à-vis des actions horizontales. Cette méthode peut s'avérer plus pratique que de procéder à une analyse complète du second ordre. Avantages Permet une conception architecturale sans système de contreventement triangulé. Inconvénients Le poids des poteaux, et tout particulièrement celui des poteaux extérieurs, augmente très nettement pour pouvoir résister aux moments de flexion. Les assemblages poutre/poteau sont à la fois complexes et coûteux. Il est probable que, dans les poutres, les moments déterminants se situent au droit des appuis, venant ainsi réduire sensiblement l intérêt d'une construction mixte. L'analyse globale est complexe et complique aussi l'optimisation du dimensionnement des sections. Il est essentiel d'effectuer une analyse complète de l ossature pour des raisons similaires que celles visées à la Section 5.2 ci-dessus. Page 11
5.4 Portiques de stabilité Comme l'illustre la Figure 5.1(a), il peut être souhaitable sur le plan architectural de concevoir localement des zones d ossatures rigides, c est à dire des portiques de stabilité pour assurer toute la stabilité horizontale et la résistance aux actions horizontales. A condition de bien envisager la compatibilité des rigidités horizontales, il peut également être possible de combiner de tels portiques de stabilité à des ossatures contreventées, comme l'illustre la Figure 5.1(b). Dans ces deux cas, différentes approches de calcul peuvent être employées pour les deux types de structures. Emploi des méthodes visées à la Section 5.3 ci-dessus pour les portiques de stabilité. Les portiques de stabilité doivent impérativement assurer la rigidité horizontale et la résistance horizontale pour l'ensemble du bâtiment. Il faut donc que les poutres et les poteaux soient très rigides pour résister aux effets des déplacements horizontaux de la structure prise dans son ensemble. Utilisation d une conception simple d ossature contreventée de la Section 5.1 pour le reste de la structure. Il est recommandé d'effectuer une analyse globale complète de cette conception hybride pour déterminer α cr. Avantages Permet une conception architecturale sans aucun contreventement par triangulation. Réduit le nombre d'assemblages poutre-poteaux et le nombre de poteaux nécessaires pour supporter d'importants moments de flexion. Inconvénients Dans une ossature par portique de stabilité, le poids des poteaux, et tout particulièrement des poteaux extérieurs, augmente très nettement. Les assemblages poutre-poteau dans les portiques sont complexes et coûteux. Il est important d'étudier soigneusement la compatibilité de la rigidité horizontale entre les portiques, les ossatures à assemblages articulés et, le cas échéant, les ossatures contreventées. L'analyse globale est complexe et complique aussi l'optimisation des dimensions des sections. Il est impératif d'envisager la structure dans son ensemble pour effectuer l'analyse des portiques, pour la raison visée au paragraphe 5.2. Il peut également s'avérer plus pratique d'utiliser une modélisation informatique de l ensemble de la structure, pour faciliter le traitement des différentes combinaisons d actions et des sollicitations déterminantes. Page 12
1 2 2 2 1 (a) 4 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 3 (b) 3 Légende : 1. Ossature par portiques de stabilité et assemblages rigides 2. Ossature à assemblages articulés 3. Noyaux rigides 4. Joint de dilatation Figure 5.1 Exemples de portiques de stabilité : (a) Structure de taille modeste et de grande portée, dépourvue de poteaux intérieurs et de noyau rigide, (b) Structure de taille modeste et de grande portée, dépourvue de poteaux intérieurs, avec noyaux rigides. Page 13
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