Notions pour Entrepreneur en structures métalliques et éléments préfabriqués de béton

La notion de "flèche admissible" fait référence à la déflexion maximale acceptable d'un élément structural sous charge, souvent exprimée en termes de fraction de la portée de l'élément. Voici les définitions spécifiques pour les ratios couramment utilisés :

1. Flèche admissible 1/240 : La flèche admissible est égale à la longueur de la portée divisée par 240. Par exemple, pour une portée de 10 mètres, la flèche admissible serait $\frac{10\text{ m}}{240} = 0,0417\text{ m}$ ou 41,7 mm.

2. Flèche admissible 1/360 : La flèche admissible est égale à la longueur de la portée divisée par 360. Par exemple, pour une portée de 10 mètres, la flèche admissible serait $\frac{10\text{ m}}{360} = 0,0278\text{ m}$ ou 27,8 mm.

3. Flèche admissible 1/420 : La flèche admissible est égale à la longueur de la portée divisée par 420. Par exemple, pour une portée de 10 mètres, la flèche admissible serait $\frac{10\text{ m}}{420} = 0,0238\text{ m}$ ou 23,8 mm.

Ces ratios sont utilisés pour s'assurer que la déflexion des éléments structuraux reste dans des limites acceptables pour des raisons de sécurité, de fonctionnalité et de confort. Ils permettent de contrôler les déformations excessives qui pourraient nuire à la structure ou aux éléments non structuraux associés, tels que les cloisons, les revêtements de sol, et les finitions intérieures.

La sélection du ratio de flèche admissible dépend souvent du type de construction, de l'usage prévu de l'espace, des matériaux utilisés et des normes de construction locales. Les normes spécifiques peuvent varier, et il est important de se référer aux codes de construction applicables pour les exigences précises​

Les différents composants assurant la stabilité latérale des structures d’acier incluent :

1. Contreventements (bracing) : Des éléments diagonaux en acier qui forment des triangles avec les colonnes et les poutres, augmentant la rigidité de la structure. Ils peuvent être :

   • Contreventements en "X" : Utilisés couramment pour empêcher le déplacement latéral en formant une croix.
   • Contreventements en "K" ou en "V" inversé : Offrent une résistance similaire tout en permettant l'intégration de portes ou de fenêtres.
   • Contreventements en "V" ou chevrons : Utilisés pour des raisons esthétiques ou pratiques spécifiques.

2. Diaphragmes : Plaques de métal ou de béton, souvent utilisées dans les toits et les planchers, qui distribuent les charges latérales aux systèmes de contreventement ou aux murs porteurs.

3. Planchers et toitures rigides (Rigid Floors and Roofs) : Agissent comme des diaphragmes horizontaux qui redistribuent les charges latérales aux systèmes de contreventement ou aux cadres rigides.

4. Cadres rigides (Rigid Frames) : Assemblages de poutres et de colonnes conçus pour résister aux moments de flexion et aux forces latérales, en maintenant la stabilité de la structure.

5. Murs de cisaillement (Shear Walls) : Panneaux verticaux, souvent en béton armé ou en acier, qui résistent aux forces latérales en agissant comme des murs rigides.

6. Entretoises (Struts or Ties) : Barres horizontales ou diagonales qui connectent les éléments de la structure pour prévenir le déplacement latéral et maintenir l'alignement des membres.

7. Ancrages (Anchors) : Fixations solides au sol ou à d'autres structures stables, qui empêchent les déplacements latéraux et torsionnels des fondations et des bases des colonnes.

Chacun de ces composants joue un rôle crucial dans la distribution des charges et des forces au sein de la structure, garantissant sa stabilité et sa sécurité sous diverses conditions de charge et d'environnement​​.

Les principales caractéristiques de l'acier de structure incluent :

1. Limite élastique (Yield Strength) : La contrainte maximale que l'acier peut supporter avant de subir une déformation plastique permanente. Au-delà de cette limite, le matériau ne revient pas à sa forme originale une fois la charge retirée.

2. Résistance ultime (Ultimate Strength) : La contrainte maximale que l'acier peut supporter avant de se rompre. Cette valeur est supérieure à la limite élastique et représente la charge maximale que le matériau peut supporter avant la défaillance.

3. Plasticité (Plasticity) : La capacité de l'acier à subir une déformation permanente sans rupture. Cette propriété permet à l'acier de se déformer sous des charges importantes sans se fracturer, ce qui est crucial pour la ductilité des structures.

4. Ductilité (Ductility) : La capacité de l'acier à se déformer de manière significative avant de se rompre. La ductilité permet aux structures en acier de supporter des déformations importantes, ce qui est essentiel pour absorber les chocs et les charges dynamiques.

5. Rigidité (Stiffness) : La capacité de l'acier à résister aux déformations sous une charge. La rigidité est généralement mesurée par le module d'élasticité (ou module de Young), qui quantifie la relation entre la contrainte et la déformation dans le domaine élastique.

6. Tenacité (Toughness) : La capacité de l'acier à absorber de l'énergie et à se déformer plastiquement sans se fracturer. La ténacité est une combinaison de résistance et de ductilité, et elle est importante pour la résistance aux chocs et aux impacts.

7. Résilience (Resilience) : La capacité de l'acier à absorber de l'énergie élastique lorsqu'il est déformé et à restituer cette énergie lors du déchargement. Cette propriété est essentielle pour les applications nécessitant une résistance aux charges cycliques.

8. Soudabilité (Weldability) : La capacité de l'acier à être soudé sans perte significative de ses propriétés mécaniques. Les nuances d'acier avec une bonne soudabilité sont essentielles pour les constructions nécessitant de nombreuses soudures.

9. Résistance à la corrosion (Corrosion Resistance) : La capacité de l'acier à résister à la dégradation due à des environnements corrosifs. L'acier peut être galvanisé ou traité pour améliorer sa résistance à la corrosion.

10. Densité (Density) : La masse volumique de l'acier, généralement autour de 7850 kg/m³. La densité est importante pour calculer les charges et les dimensions des éléments structuraux.

Ces caractéristiques déterminent les performances de l'acier dans les applications structurelles et influencent les choix de conception et de construction​​.

Voici une explication des nuances d'acier d'usage courant, leurs propriétés et leurs usages spécifiques :

1. Acier doux (Acier au carbone) :

   • Propriétés : Faible teneur en carbone (généralement entre 0,05% et 0,25%), ce qui le rend facile à travailler, à souder et à plier.
   • Usages spécifiques : Utilisé dans les structures générales, les composants de construction tels que les poutres, les colonnes, et les cadres. Il est également couramment utilisé pour les pièces forgées, les tôles et les barres.

2. Acier à haute résistance et faible alliage (HSLA) :

   • Propriétés : Contient des éléments d'alliage comme le cuivre, le vanadium, le niobium et le titane, qui augmentent la résistance sans ajouter beaucoup de poids. Ces aciers ont une meilleure résistance à la corrosion et sont plus ductiles que les aciers au carbone standards.
   • Usages spécifiques : Utilisé pour les structures nécessitant une résistance élevée et un poids réduit, comme les ponts, les bâtiments à grande hauteur, et les structures offshore.

3. Acier Corten (acier résistant aux intempéries) :

   • Propriétés : Contient du cuivre, du chrome et du nickel, ce qui forme une patine protectrice lorsqu'il est exposé aux conditions atmosphériques, réduisant ainsi la vitesse de corrosion.
   • Usages spécifiques : Utilisé pour les façades de bâtiments, les ponts et les sculptures extérieures, où l'apparence rouillée est souhaitée et où la résistance à la corrosion est nécessaire sans traitement de surface supplémentaire.

4. Acier inoxydable :

   • Propriétés : Contient un minimum de 10,5% de chrome, qui forme une couche d'oxyde protectrice empêchant la corrosion. Il peut également contenir du nickel et du molybdène pour améliorer la résistance à la corrosion et la durabilité.
   • Usages spécifiques : Utilisé dans les environnements corrosifs, comme les usines chimiques, les cuisines industrielles, les équipements médicaux, et les structures marines.

5. Acier trempé et revenu (QT - Quenched and Tempered) :

   • Propriétés : Subit un traitement thermique consistant à chauffer puis à refroidir rapidement (trempe) suivi d'un chauffage à une température plus basse (revenu) pour améliorer la dureté et la ténacité.
   • Usages spécifiques : Utilisé pour les équipements lourds, les ponts, les grues et les structures qui nécessitent une grande résistance aux chocs et à l'usure.

6. Acier pour soudure (Weldable Steel) :

   • Propriétés : Conçu spécifiquement pour avoir une bonne soudabilité, souvent avec une faible teneur en carbone et des éléments d'alliage pour minimiser les fissures et les défauts lors de la soudure.
   • Usages spécifiques : Utilisé dans les constructions soudées, les pipelines, les réservoirs sous pression et les infrastructures où des connexions soudées solides et fiables sont essentielles.

7. Acier structural laminé à chaud :

   • Propriétés : Fabriqué par laminage à haute température, ce qui améliore la ductilité et la malléabilité. Il peut être facilement formé et soudé.
   • Usages spécifiques : Utilisé pour les poutres, les colonnes, les rails et d'autres éléments structuraux dans les bâtiments et les ponts.

Ces différentes nuances d'acier sont choisies en fonction des exigences spécifiques du projet, telles que la résistance, la durabilité, la soudabilité, et la résistance à la corrosion. Chaque type d'acier a des propriétés uniques qui le rendent adapté à certaines applications et conditions d'utilisation​​.

Les profilés utilisés comme éléments de structure d'acier, tels que les poutres et les colonnes, sont désignés par des abréviations spécifiques qui indiquent leur forme et leurs caractéristiques. Voici les principales désignations et leurs explications :

1. Profilés W (Wide Flange) :

   • Description : Profilés en I avec des ailes larges et parallèles, aussi appelés poutres à ailes larges.
   • Usage : Utilisés pour les poutres, colonnes et autres éléments porteurs dans les bâtiments et les ponts en raison de leur haute résistance à la flexion et à la compression.
   • Exemple de désignation : W12x50 (où 12 est la hauteur de la poutre en pouces et 50 est le poids par pied linéaire en livres).

2. Profilés WWF (Wide Flange Welded) :

   • Description : Profilés en I fabriqués par soudage, avec des caractéristiques similaires aux profilés W, mais souvent utilisés pour des dimensions plus grandes ou spécifiques.
   • Usage : Utilisés dans les grandes constructions nécessitant des dimensions spécifiques ou des résistances particulières.
   • Exemple de désignation : WWF120x300 (où 120 est la hauteur de la poutre en centimètres et 300 est le poids par mètre linéaire en kilogrammes).

3. Profilés S (Standard I-Beam) :

   • Description : Profilés en I avec des ailes inclinées. Ils ont une forme plus étroite comparée aux profilés W.
   • Usage : Utilisés principalement pour les poutres, moins courants aujourd'hui en raison de la préférence pour les profilés W.
   • Exemple de désignation : S8x23 (où 8 est la hauteur de la poutre en pouces et 23 est le poids par pied linéaire en livres).

4. Profilés C (Channel) :

   • Description : Profilés en forme de C, aussi appelés profilés à section en U.
   • Usage : Utilisés pour les éléments structurels secondaires, les pannes, les solives et les traverses. Ils sont aussi utilisés comme éléments de renforcement ou de finition.
   • Exemple de désignation : C9x13.4 (où 9 est la hauteur en pouces et 13.4 est le poids par pied linéaire en livres).

5. Profilés L (Angle) :

   • Description : Profilés en L, également appelés cornières, avec deux ailes perpendiculaires.
   • Usage : Utilisés pour les éléments de support secondaire, les connexions, les renforts, et dans les structures en treillis.
   • Exemple de désignation : L4x4x1/2 (où 4x4 est la longueur des ailes en pouces et 1/2 est l'épaisseur des ailes en pouces).

Ces désignations permettent de spécifier précisément les dimensions et les caractéristiques des profilés en acier, facilitant ainsi la communication et la standardisation dans les projets de construction. Chaque type de profilé est choisi en fonction de son rôle spécifique dans la structure et des charges qu'il doit supporter​​.

Utilité de la galvanisation de l’acier :

La galvanisation est le processus d'application d'une couche de zinc sur l'acier pour le protéger de la corrosion. Voici les principales raisons pour lesquelles la galvanisation est utilisée :

1. Protection contre la corrosion : Le zinc offre une protection cathodique en empêchant la formation de rouille sur l'acier. Même si la couche de zinc est endommagée, le zinc adjacent peut encore protéger l'acier exposé.
2. Durabilité accrue : La galvanisation prolonge la durée de vie des structures en acier en les protégeant contre les intempéries, l'humidité et d'autres facteurs environnementaux.
3. Entretien réduit : Les éléments en acier galvanisé nécessitent moins d'entretien et de réparation que ceux en acier non traité, réduisant ainsi les coûts à long terme.
4. Protection uniforme : La galvanisation offre une couverture uniforme, y compris dans les coins, les bords et les surfaces complexes, où d'autres méthodes de protection peuvent être moins efficaces.
5. Coût-efficacité : Bien que le coût initial de la galvanisation puisse être plus élevé que certains autres traitements de surface, les économies réalisées grâce à la réduction des besoins en entretien et en remplacement rendent la galvanisation rentable à long terme.
6. Écologique : La galvanisation est un processus durable, et l'acier galvanisé peut être recyclé sans perdre ses propriétés protectrices.

Éléments d'acier couramment galvanisés :

1. Poutres et colonnes : Utilisées dans les structures exposées aux intempéries, comme les ponts, les bâtiments extérieurs et les structures maritimes.
2. Pannes et solives : Ces éléments structuraux horizontaux, souvent utilisés dans les toits et les planchers, bénéficient de la galvanisation pour résister à l'humidité.
3. Garde-corps et balustrades : Situés à l'extérieur, ils sont soumis aux intempéries et nécessitent une protection contre la rouille pour des raisons de sécurité et d'esthétique.
4. Barrières et clôtures : Utilisées dans les infrastructures publiques et privées, elles bénéficient de la galvanisation pour une longévité accrue.
5. Tours de transmission et poteaux : Exposés en permanence aux éléments, ils nécessitent une protection durable contre la corrosion.
6. Chemins de câbles et supports de câbles : Utilisés dans les installations industrielles et commerciales, ces éléments protègent les câbles électriques et de communication.
7. Grilles et caillebotis : Utilisés dans les installations industrielles, les chemins de passage, et les plateformes, ils bénéficient de la galvanisation pour une résistance accrue à la corrosion.
8. Équipements de construction : Divers équipements et accessoires de construction, y compris les échafaudages et les coffrages, sont galvanisés pour une utilisation prolongée et sécurisée.

La galvanisation s'applique principalement aux éléments en acier qui sont exposés à des environnements corrosifs ou qui nécessitent une protection à long terme pour maintenir leur intégrité structurelle et leur apparence​​.

Voici les définitions des notions de « surcharge », de « charge permanente » et de « surface d’appui » dans le contexte des structures métalliques et éléments préfabriqués de béton :

1. Surcharge (Live Load) :

   • Définition : La surcharge fait référence aux charges temporaires ou mobiles appliquées sur une structure. Elles sont dues à des facteurs variables tels que l'occupation humaine, le mobilier, les équipements mobiles, la neige, le vent, et d'autres charges dynamiques.
   • Exemples :
     • La présence de personnes dans un bâtiment.
     • Les meubles et équipements dans un bureau.
     • Les véhicules sur un pont.
     • La neige accumulée sur un toit.
   • Caractéristiques : Les surcharges peuvent varier dans le temps et ne sont pas permanentes. Elles sont prises en compte dans la conception des structures pour s'assurer qu'elles peuvent supporter ces charges variables de manière sécuritaire.

2. Charge permanente (Dead Load) :

   • Définition : La charge permanente représente les charges constantes et immuables dues aux poids propres des éléments de construction. Cela inclut le poids des matériaux structurels, des éléments non structurels fixes, et des équipements permanents installés dans le bâtiment.
   • Exemples :
     • Le poids des poutres, colonnes, dalles et autres éléments structuraux.
     • Le poids des revêtements de sol, des murs, des toitures.
     • Le poids des équipements fixes comme les systèmes HVAC (chauffage, ventilation et climatisation).
   • Caractéristiques : Les charges permanentes sont constantes et prévisibles, permettant une évaluation précise de leur impact sur la structure. Elles sont essentielles pour la conception des fondations et des éléments porteurs.

3. Surface d’appui (Bearing Surface) :

   • Définition : La surface d’appui est la zone de contact entre un élément structural et le support sur lequel il repose. Elle joue un rôle crucial dans la distribution des charges de l'élément structural vers le support, réduisant la pression sur le matériau de support et assurant la stabilité de la structure.
   • Exemples :
     • La surface où une poutre repose sur une colonne ou un mur.
     • La zone de contact entre une colonne en acier et sa fondation.
     • L'interface entre une dalle en béton et les piliers ou les murs porteurs.
   • Caractéristiques : La surface d’appui doit être suffisamment large et résistante pour éviter l'écrasement ou la déformation sous les charges appliquées. Les dimensions et les matériaux de la surface d’appui sont conçus pour assurer une répartition uniforme des charges et maintenir l'intégrité structurale.

Ces notions sont fondamentales dans la conception et la construction des structures métalliques et des éléments préfabriqués de béton, garantissant leur sécurité, leur durabilité et leur performance sous diverses conditions de charge​​.

Les différentes charges qui peuvent solliciter une structure en acier ou en éléments préfabriqués de béton comprennent :

1. Charges permanentes (Dead Loads) :

   • Poids propre des éléments structurels (poutres, colonnes, dalles, etc.)
   • Poids des matériaux non structuraux fixes (revêtements de sol, plafonds, cloisons permanentes)
   • Poids des équipements installés de façon permanente (systèmes HVAC, réservoirs, etc.)

2. Surcharges (Live Loads) :

   • Occupation humaine (personnes dans un bâtiment)
   • Meubles et équipements mobiles
   • Véhicules (dans les parkings et sur les ponts)
   • Charges temporaires dues à des activités spécifiques (réunions, événements, stockage temporaire)

3. Charges de neige (Snow Loads) :

   • Accumulation de neige sur les toitures et autres surfaces horizontales
   • Effet de la densité de la neige (neige poudreuse vs neige mouillée)
   • Glissements de neige ou accumulation irrégulière due au vent

4. Charges de vent (Wind Loads) :

   • Pression dynamique du vent sur les façades des bâtiments
   • Effets d'aspiration du vent sur les toitures
   • Effets de vortex et de tourbillons causés par des bâtiments de grande hauteur
   • Charges de pression interne et externe causées par des ouvertures ou des bris

5. Charges sismiques (Seismic Loads) :

   • Forces horizontales et verticales générées par les tremblements de terre
   • Effets de l'accélération du sol sur les structures
   • Oscillations et déplacements de la structure sous l'effet des secousses
   • Effets de résonance et amplification locale

6. Charges de température (Thermal Loads) :

   • Expansion et contraction des matériaux dues aux variations de température
   • Charges induites par les différences de température entre les différentes parties de la structure
   • Effets de la chaleur solaire directe ou des systèmes de chauffage

7. Charges d'impact (Impact Loads) :

   • Chocs et impacts accidentels (véhicules, chutes d'objets lourds)
   • Vibrations induites par des machines ou des équipements
   • Charges dynamiques dues aux mouvements des occupants ou des équipements

8. Charges de fluide (Fluid Loads) :

   • Pression hydrostatique exercée par les liquides stockés (réservoirs, bassins)
   • Charges dynamiques dues à l'écoulement des fluides (dans les canalisations ou les réservoirs)

9. Charges de sol (Soil Loads) :

   • Pression latérale exercée par le sol sur les murs de soutènement et les fondations
   • Charges de soulèvement (upheaval) causées par la gelée ou la pression de l'eau souterraine

10. Charges accidentelles (Accidental Loads) :

    • Incendies et explosions
    • Charges causées par des catastrophes naturelles imprévues (glissements de terrain, inondations)

Ces charges doivent être soigneusement considérées dans la conception et la construction des structures pour assurer leur sécurité, leur durabilité et leur performance sous diverses conditions. Les codes et normes de construction fournissent des directives spécifiques pour évaluer et combiner ces charges de manière appropriée​​.

Impact d’une « charge latérale » sur une structure (causes, conséquences, etc.)

Causes des charges latérales

Les charges latérales sont des forces appliquées horizontalement sur une structure. Les principales causes des charges latérales comprennent :

1. Vent :

   • Pression dynamique du vent sur les façades et les surfaces exposées d'une structure.
   • Variations de la vitesse et de la direction du vent, créant des forces fluctuantes.
   • Effets de vortex, particulièrement sur les bâtiments de grande hauteur.

2. Séismes :

   • Secousses sismiques créant des accélérations horizontales au niveau du sol.
   • Oscillations dues aux ondes sismiques qui poussent et tirent la structure dans différentes directions.
   • Effets de résonance lorsque la fréquence des secousses sismiques correspond à la fréquence propre de la structure.

3. Pression hydrostatique :

   • Pression latérale de l'eau souterraine sur les murs de fondation ou de soutènement.
   • Effets de la montée des eaux lors des inondations.

4. Charges de terre :

   • Pression exercée par le sol contre les murs de soutènement et les sous-sols.
   • Expansion du sol due au gel ou à l'humidité.

5. Impacts accidentels :

   • Collisions de véhicules, équipements ou autres objets avec la structure.
   • Forces générées par des explosions ou des chocs soudains.

Conséquences des charges latérales

Les charges latérales peuvent avoir plusieurs conséquences sur une structure, affectant sa stabilité et son intégrité. Voici quelques-unes des principales conséquences :

1. Déformations et déplacements :

   • Déflexion latérale des éléments structuraux, tels que les colonnes et les poutres.
   • Déplacements horizontaux des étages, connus sous le nom de drift.
   • Risque d'effondrement partiel ou total si les déformations dépassent les limites admissibles.

2. Efforts internes accrus :

   • Génération de moments fléchissants et de forces de cisaillement dans les éléments structuraux.
   • Augmentation des tensions et des contraintes dans les connexions et les joints.
   • Possibilité de rupture des soudures ou des boulons sous des charges excessives.

3. Instabilité globale :

   • Risque de flambement des colonnes et des autres éléments compressés.
   • Pertes de stabilité globale, pouvant conduire à un effondrement progressif.
   • Nécessité de contreventements additionnels pour renforcer la stabilité latérale.

4. Dommages aux non-structural elements :

   • Fissuration et rupture des cloisons, des façades et des éléments de finition.
   • Dommages aux systèmes mécaniques, électriques et de plomberie.
   • Perturbation des fonctions du bâtiment et des équipements intérieurs.

5. Vibrations et oscillations :

   • Oscillations prolongées après l'application de la charge (notamment lors des séismes).
   • Inconfort pour les occupants et risques pour les équipements sensibles.
   • Effets dynamiques nécessitant des analyses spécifiques pour éviter des résonances destructrices.

Mesures de prévention et de contrôle

Pour minimiser les impacts des charges latérales, plusieurs mesures de prévention et de contrôle peuvent être mises en place :

1. Conception structurale adéquate :

   • Utilisation de cadres rigides et de contreventements pour augmenter la rigidité latérale.
   • Dimensionnement approprié des éléments structuraux pour résister aux moments et aux forces de cisaillement.
   • Prévision des tolérances de déformation et de déplacement admissibles.

2. Utilisation de matériaux résistants :

   • Sélection d'aciers à haute résistance et à faible ductilité pour les éléments critiques.
   • Utilisation de soudures et de boulons de haute qualité pour les connexions.

3. Analyse sismique et de vent :

   • Réalisation d'analyses dynamiques pour évaluer les réponses de la structure aux charges sismiques et de vent.
   • Application des codes de construction spécifiques pour les zones à risque sismique élevé ou exposées à des vents violents.

4. Murs de cisaillement et diaphragmes rigides :

   • Intégration de murs de cisaillement en béton ou en acier pour répartir les charges latérales.
   • Utilisation de diaphragmes rigides dans les toits et les planchers pour transférer les charges aux systèmes de contreventement.

5. Systèmes de fondation renforcés :

   • Conception de fondations capables de résister aux forces latérales transmises par la superstructure.
   • Intégration de pieux ou de caissons pour augmenter la capacité portante latérale des fondations.

En mettant en œuvre ces mesures, il est possible de garantir la stabilité et la sécurité des structures soumises à des charges latérales​​.

Charge concentrée (Point Load) :

• Définition : Une charge concentrée est une force appliquée à un point spécifique sur une structure. Elle est souvent représentée par une flèche unique sur un diagramme de charge, indiquant que toute la force est appliquée en un seul point.
• Exemples :
  • Le poids d'une colonne posée sur une poutre.
  • La force exercée par une machine lourde placée sur une dalle.
  • La charge appliquée par un poteau sur une fondation.
• Caractéristiques :
  • Génère des moments fléchissants élevés et des forces de cisaillement locales autour du point d'application.
  • Peut causer des déformations importantes localisées.
  • La conception doit souvent inclure des renforcements autour du point de charge pour assurer la stabilité et la sécurité.

Charge uniformément répartie (Uniformly Distributed Load, UDL) :

• Définition : Une charge uniformément répartie est une force distribuée de manière égale sur une longueur ou une surface donnée. Elle est souvent représentée par une série de flèches ou une barre continue sur un diagramme de charge, indiquant que la charge est constante sur toute la longueur ou la surface.
• Exemples :
  • Le poids propre d'une dalle ou d'une toiture.
  • Le poids des meubles et des occupants répartis sur un plancher.
  • La pression de la neige uniformément répartie sur un toit.
• Caractéristiques :
  • Produit des moments fléchissants et des forces de cisaillement plus uniformément répartis le long de la structure.
  • Les déformations sont plus uniformes et prévisibles.
  • La conception doit prendre en compte la distribution de la charge pour assurer une performance structurale adéquate.

Comparaison entre charge concentrée et charge uniformément répartie

Considérations de conception

Pour les charges concentrées :

• Renforcements locaux autour du point de charge.
• Utilisation de plaques de répartition pour diminuer la concentration de stress.
• Calculs précis pour évaluer les moments fléchissants et les cisaillements maximaux.

Pour les charges uniformément réparties :

• Calcul des moments et des forces de cisaillement sur toute la longueur ou la surface.
• Vérification de la capacité portante uniforme des éléments structurels.
• Utilisation de matériaux et de profils adaptés pour supporter la charge répartie sans déformation excessive.

Comprendre la différence entre ces deux types de charges est crucial pour la conception et la construction de structures sûres et efficaces​​.

Les assemblages jouent un rôle crucial dans la stabilité des structures métalliques et des éléments préfabriqués de béton. Voici une liste des assemblages couramment utilisés pour assurer la stabilité d'une structure :

1. Assemblages par soudure :

   • Soudure bout à bout : Assemblage de deux pièces de métal en alignement direct, couramment utilisé pour les colonnes et les poutres.
   • Soudure en angle : Utilisée pour connecter des éléments métalliques à un angle, souvent dans les joints de cadre.
   • Soudure en T : Utilisée pour fixer une pièce perpendiculairement à une autre, souvent utilisée pour les joints de poutres et de colonnes.
   • Soudure d'angle : Couramment utilisée pour assembler des pièces en coin, renforçant ainsi les joints.

2. Assemblages boulonnés :

   • Assemblage par boulons ordinaires : Utilisé pour des connexions moins critiques où la charge n'est pas excessive.
   • Assemblage par boulons haute résistance (HR) : Utilisé pour des connexions structurales critiques nécessitant une grande résistance à la traction.
   • Boulonnage par friction : Les boulons haute résistance sont serrés pour créer une friction entre les plaques d'acier, augmentant la capacité de charge.
   • Assemblage par boulons précontraints : Les boulons sont serrés à un couple spécifié pour appliquer une force de précontrainte, augmentant la rigidité et la capacité de charge.

3. Assemblages par rivets :

   • Rivetage à chaud : Utilisé dans les anciennes structures, les rivets sont chauffés avant d'être insérés et martelés pour créer une connexion permanente.
   • Rivetage à froid : Utilisé dans les applications modernes, nécessitant des équipements spécialisés pour fixer les rivets sans chauffage.

4. Assemblages par plaques et goussets :

   • Plaques de base : Utilisées pour fixer les colonnes aux fondations, transférant les charges de la structure au sol.
   • Plaques de connexion : Utilisées pour assembler des poutres et des colonnes, souvent renforcées par des goussets pour améliorer la rigidité.
   • Goussets : Plaques triangulaires ou rectangulaires fixées aux joints pour renforcer les assemblages et prévenir les déformations.

5. Assemblages par soudure et boulonnage combinés :

   • Assemblage hybride : Utilisation combinée de soudures et de boulons pour bénéficier des avantages des deux méthodes, offrant à la fois rigidité et flexibilité.

6. Assemblages par encastrement :

   • Joints rigides : Les connexions entre les poutres et les colonnes sont conçues pour résister aux moments fléchissants, souvent réalisées par soudure ou boulonnage rigide.
   • Encastrement dans le béton : Utilisé pour fixer des éléments métalliques dans des éléments en béton, en utilisant des ancrages ou des inserts.

7. Assemblages par clavettes et goupilles :

   • Clavettes : Utilisées pour fixer les éléments en place, souvent dans les structures temporaires ou démontables.
   • Goupilles : Utilisées pour assembler des éléments de manière temporaire ou pour permettre un démontage facile.

Ces différents types d'assemblages sont sélectionnés en fonction des exigences spécifiques de la structure, des charges à supporter et des conditions d'utilisation. Une conception adéquate des assemblages est essentielle pour assurer la stabilité et la sécurité des structures métalliques et des éléments préfabriqués de béton​​.

Les contreventements sont des éléments cruciaux pour assurer la stabilité latérale des structures métalliques et des éléments préfabriqués de béton. Voici les principaux éléments qui composent les contreventements :

1. Diagonales :

   • Tirants (Bracing rods) : Barres ou câbles tendus qui résistent à la traction.
   • Jambes de force (Struts) : Barres ou poutres comprimées qui résistent à la compression.

2. Montants et Traverses :

   • Montants verticaux (Vertical members) : Élément vertical qui participe à la rigidité du contreventement.
   • Traverses horizontales (Horizontal members) : Barres horizontales qui relient les montants verticaux.

3. Plaques de gousset (Gusset plates) :

   • Plaques triangulaires ou rectangulaires : Fixées aux intersections des membres de contreventement pour renforcer les connexions.

4. Éléments en croix de Saint-André (X-bracing) :

   • Diagonales croisées : Disposées en forme de croix, augmentant la rigidité en distribuant les charges latérales sur deux directions.

5. Contreventements en K ou en V (K-bracing or V-bracing) :

   • Diagonales disposées en K ou en V : Utilisées pour répartir les charges latérales et offrir une plus grande flexibilité dans l'utilisation de l'espace.

6. Panneaux de contreventement (Shear panels) :

   • Panneaux rigides : En acier ou en béton, qui résistent aux forces de cisaillement et augmentent la rigidité de la structure.

7. Systèmes de diaphragme (Diaphragm systems) :

   • Diaphragmes rigides (Rigid diaphragms) : Planchers ou toitures qui distribuent les charges latérales aux systèmes de contreventement ou aux murs de cisaillement.

8. Murs de cisaillement (Shear walls) :

   • Murs en béton ou en maçonnerie : Offrant une résistance significative aux forces latérales et souvent utilisés en combinaison avec d'autres systèmes de contreventement.

9. Entretoises (Struts or Ties) :

   • Barres horizontales ou diagonales : Connectant les éléments de la structure pour prévenir le déplacement latéral et maintenir l'alignement des membres.

10. Ancrages (Anchors) :

• Fixations solides : Au sol ou à d'autres structures stables, qui empêchent les déplacements latéraux et torsionnels des fondations et des bases des colonnes.

Ces éléments sont essentiels pour garantir que la structure puisse résister aux forces latérales telles que le vent, les séismes, et d'autres charges dynamiques, tout en maintenant l'intégrité et la stabilité de la structure​​.

Pour un entrepreneur en structures métalliques et éléments préfabriqués de béton, il est crucial de distinguer les éléments qui font partie de la structure d'acier des métaux ouvrés. Voici les différences principales :

Éléments métalliques faisant partie de la structure d'acier

1. Colonnes :

   • Rôle : Support vertical principal de la structure, transférant les charges de la superstructure aux fondations.
   • Exemples : Colonnes en profilé I (W, S), colonnes en tube carré ou rectangulaire.

2. Poutres :

   • Rôle : Éléments horizontaux ou inclinés qui supportent les charges de la structure et les transfèrent aux colonnes.
   • Exemples : Poutres en I (W, S), poutres en H, poutres caissons.

3. Ferme (Truss) :

   • Rôle : Assemblage triangulé d'éléments pour supporter les charges sur une longue portée sans fléchir.
   • Exemples : Fermes en treillis, fermes en arc.

4. Contreventements (Bracing) :

   • Rôle : Éléments diagonaux qui augmentent la stabilité latérale de la structure.
   • Exemples : Contreventements en croix de Saint-André, contreventements en K.

5. Diaphragmes :

   • Rôle : Planchers et toitures rigides qui distribuent les charges latérales aux systèmes de contreventement ou aux murs de cisaillement.
   • Exemples : Dalles en béton sur poutrelles métalliques, toits en acier ondulé.

6. Assemblages et connexions :

   • Rôle : Pièces permettant la jonction des différents éléments structuraux.
   • Exemples : Soudures, boulons haute résistance, plaques de gousset.

Métaux ouvrés

1. Garde-corps et balustrades :

   • Rôle : Éléments de protection et de sécurité le long des escaliers, balcons, et passerelles.
   • Exemples : Garde-corps en acier inoxydable, balustrades en fer forgé.

2. Escaliers et rampes :

   • Rôle : Structures pour le déplacement vertical dans un bâtiment.
   • Exemples : Escaliers en acier, rampes en métal.

3. Grilles et caillebotis :

   • Rôle : Planchers ou passerelles perforées permettant le passage de la lumière et des liquides.
   • Exemples : Caillebotis en acier galvanisé, grilles de ventilation.

4. Portes et fenêtres en métal :

   • Rôle : Ouvertures fonctionnelles et décoratives dans les murs et les cloisons.
   • Exemples : Portes en acier, cadres de fenêtres en aluminium.

5. Clôtures et barrières :

   • Rôle : Délimitation et sécurisation des espaces.
   • Exemples : Clôtures en mailles de chaîne, barrières de sécurité en métal.

6. Main courante :

   • Rôle : Éléments de soutien pour les escaliers et rampes.
   • Exemples : Mains courantes en acier inoxydable, mains courantes en aluminium.

7. Revêtements et panneaux décoratifs :

   • Rôle : Éléments ajoutés pour des raisons esthétiques ou de protection.
   • Exemples : Panneaux de façade en aluminium, bardages en acier.

8. Supports et cadres pour équipements :

   • Rôle : Structures secondaires pour le soutien des équipements mécaniques, électriques, et de plomberie.
   • Exemples : Supports de tuyauterie, cadres pour unités de climatisation.

Résumé des différences

En distinguant clairement ces deux catégories, un entrepreneur peut mieux planifier et exécuter les travaux de construction, en assurant à la fois la stabilité structurelle et l'esthétique de la construction​​.

Les tolérances de fabrication se réfèrent aux limites acceptables de variation par rapport aux dimensions, formes et positions spécifiées des éléments de construction. Ces tolérances sont cruciales pour assurer l'ajustement et la performance appropriés des éléments structurels. Voici les effets relatifs aux tolérances de fabrication et leurs impacts sur le bâtiment :

Effets des tolérances de fabrication

1. Alignement et ajustement des composants :

   • Effets : Des tolérances strictes assurent que les composants s'ajustent correctement les uns aux autres sans nécessiter de modifications sur le site.
   • Impact : Un bon alignement améliore l'intégrité structurale et facilite l'assemblage sur le chantier. Des écarts excessifs peuvent entraîner des difficultés de montage, des ajustements coûteux et des retards.

2. Stabilité structurelle :

   • Effets : Des tolérances respectées garantissent que les éléments structurels travaillent ensemble comme prévu, répartissant les charges de manière uniforme.
   • Impact : Une mauvaise tolérance peut entraîner des concentrations de stress, augmentant le risque de défaillance structurale ou de déformations non souhaitées.

3. Performance des connexions :

   • Effets : Les tolérances influencent la précision des connexions soudées et boulonnées.
   • Impact : Des tolérances inadéquates peuvent compromettre la résistance et la rigidité des connexions, conduisant à des problèmes de sécurité et de performance.

4. Esthétique :

   • Effets : Les tolérances affectent l'apparence finale des surfaces et des alignements visibles.
   • Impact : Des écarts visibles peuvent nuire à l'esthétique du bâtiment et nécessiter des corrections coûteuses.

5. Interférences avec les systèmes et équipements :

   • Effets : Les tolérances doivent prendre en compte l'espace nécessaire pour l'installation de systèmes mécaniques, électriques et de plomberie.
   • Impact : Des tolérances mal gérées peuvent entraîner des conflits d'espace, compliquant l'installation des systèmes et nécessitant des modifications.

Impacts spécifiques sur le bâtiment

1. Fondations et éléments de soutien :

   • Impact : Des tolérances de fabrication dans les fondations peuvent entraîner des problèmes de niveau et de positionnement des colonnes et des murs porteurs, affectant l'alignement global du bâtiment.

2. Poutres et dalles :

   • Impact : Des variations dans la fabrication des poutres et des dalles peuvent entraîner des déflexions non uniformes, affectant la planéité des planchers et la répartition des charges.

3. Contreventements et stabilité latérale :

   • Impact : Les tolérances de fabrication des contreventements doivent être strictes pour assurer la rigidité latérale de la structure. Des tolérances excessives peuvent compromettre la résistance aux forces de vent et sismiques.

4. Façades et revêtements extérieurs :

   • Impact : Les tolérances affectent l'alignement et l'ajustement des panneaux de façade, des fenêtres et des portes. Des tolérances non respectées peuvent entraîner des écarts visibles et des problèmes d'étanchéité.

5. Assemblages et connexions :

   • Impact : Les tolérances dans les assemblages soudés et boulonnés influencent directement la capacité portante et la durabilité des connexions. Des connexions mal ajustées peuvent entraîner des mouvements indésirables et des fissures.

Stratégies pour gérer les tolérances de fabrication

1. Contrôle de qualité en usine :

   • Mesures : Mise en œuvre de contrôles stricts pendant la fabrication pour vérifier que les dimensions et les formes respectent les tolérances spécifiées.

2. Vérifications sur site :

   • Mesures : Inspection rigoureuse des composants à leur arrivée sur le site et avant leur installation pour détecter toute non-conformité.

3. Planification et conception :

   • Mesures : Intégration des tolérances dans les dessins de conception et les spécifications techniques pour s'assurer que toutes les parties prenantes sont informées des exigences.

4. Formation et supervision :

   • Mesures : Formation des travailleurs et supervision attentive pendant la fabrication et l'installation pour s'assurer du respect des tolérances.

5. Utilisation de technologies avancées :

   • Mesures : Utilisation de technologies telles que la modélisation 3D et les scanners laser pour vérifier les dimensions et les alignements avec une grande précision.

En conclusion, les tolérances de fabrication sont essentielles pour garantir l'ajustement, la performance et la durabilité des structures métalliques et des éléments préfabriqués de béton. Une gestion rigoureuse des tolérances peut prévenir de nombreux problèmes potentiels et assurer la qualité et la sécurité des constructions​​.

Un système de cadres rigides et un système contreventé sont deux approches distinctes pour assurer la stabilité et la résistance des structures en acier et en béton préfabriqué. Voici les principales différences entre ces deux systèmes :

Système de cadres rigides (Rigid Frame System)

1. Description :

   • Un système de cadres rigides est constitué de poutres et de colonnes connectées de manière à résister aux moments fléchissants et aux forces latérales sans l'utilisation de contreventements diagonaux.
   • Les connexions entre les poutres et les colonnes sont rigides, c'est-à-dire qu'elles peuvent transférer les moments fléchissants, ce qui signifie qu'elles ne permettent pas la rotation relative entre les membres connectés.

2. Caractéristiques :

   • Rigidité : Les connexions rigides augmentent la rigidité globale de la structure, réduisant les déformations et les déplacements latéraux.
   • Complexité des connexions : Les connexions rigides sont plus complexes et nécessitent souvent des soudures ou des boulons de haute résistance, ainsi qu'une précision accrue dans la fabrication et l'installation.
   • Distribution des charges : Les moments fléchissants et les forces de cisaillement sont distribués à travers les poutres et les colonnes, assurant une répartition uniforme des charges.

3. Applications :

   • Utilisé dans les bâtiments de grande hauteur, les structures où l'espace ouvert est crucial, et les bâtiments où l'esthétique nécessite l'absence de contreventements visibles.
   • Couramment utilisé dans les bureaux, les immeubles résidentiels, et les gratte-ciel.

Système contreventé (Braced Frame System)

1. Description :

   • Un système contreventé utilise des éléments diagonaux, appelés contreventements, pour résister aux forces latérales. Ces contreventements peuvent être en acier ou en béton et sont souvent disposés en forme de croix de Saint-André, en K, en V ou en chevrons.
   • Les connexions entre les poutres et les colonnes ne sont pas nécessairement rigides, car les contreventements prennent en charge les forces latérales.

2. Caractéristiques :

   • Simplicité des connexions : Les connexions entre les poutres et les colonnes peuvent être simples (articulées), ce qui les rend moins coûteuses et plus faciles à installer.
   • Efficacité structurelle : Les contreventements diagonaux sont très efficaces pour résister aux forces latérales telles que le vent et les séismes, car ils forment des triangles rigides qui redistribuent les charges.
   • Impact sur l'espace intérieur : Les contreventements peuvent restreindre l'aménagement intérieur, car ils occupent de l'espace et peuvent affecter l'esthétique.

3. Applications :

   • Utilisé dans les bâtiments industriels, les entrepôts, et les structures où les contreventements visibles ne posent pas de problème esthétique ou fonctionnel.
   • Fréquemment utilisé dans les ponts, les tours de transmission, et les bâtiments nécessitant une grande résistance latérale sans complexité de connexion élevée.

Comparaison entre les systèmes de cadres rigides et les systèmes contreventés

Conclusion

• Système de cadres rigides : Privilégié pour les structures nécessitant une grande rigidité et des espaces ouverts sans obstruction visuelle, malgré la complexité et le coût plus élevé des connexions rigides.
• Système contreventé : Privilégié pour les structures où la simplicité et l'efficacité des contreventements sont essentielles, souvent utilisé dans des environnements industriels et autres structures nécessitant une grande résistance latérale sans contrainte esthétique.

Ces différences influencent le choix du système en fonction des exigences spécifiques du projet, des contraintes budgétaires, et des considérations esthétiques et fonctionnelles​​.

Les entretoises jouent un rôle crucial dans les structures métalliques, notamment lorsqu'elles lient les poutrelles ajourées en acier. Voici une explication détaillée de leur rôle :

Rôle des entretoises dans les structures métalliques

1. Stabilité latérale :

   • Description : Les entretoises fournissent une stabilité latérale aux poutrelles ajourées, empêchant leur déformation latérale ou leur flambement sous charge.
   • Impact : Elles assurent que les poutrelles conservent leur position et leur alignement, ce qui est crucial pour maintenir l'intégrité structurelle.

2. Distribution des charges :

   • Description : Les entretoises aident à redistribuer les charges appliquées sur une poutrelle vers les poutrelles adjacentes, équilibrant ainsi les charges sur toute la structure.
   • Impact : Cela permet de réduire les contraintes locales sur une poutrelle individuelle, prolongeant ainsi la durée de vie de la structure.

3. Rigidité :

   • Description : En liant les poutrelles ajourées, les entretoises augmentent la rigidité de l'ensemble de la structure.
   • Impact : Une plus grande rigidité réduit les vibrations et les oscillations sous des charges dynamiques, améliorant le confort et la sécurité de l'utilisation de la structure.

4. Alignement et positionnement :

   • Description : Les entretoises aident à maintenir l'alignement correct des poutrelles pendant et après l'installation.
   • Impact : Un bon alignement est essentiel pour garantir que les charges sont réparties de manière uniforme et que les performances structurelles sont optimales.

5. Prévention de l'effet domino :

   • Description : Les entretoises empêchent le déplacement progressif ou l'effondrement en chaîne des poutrelles ajourées.
   • Impact : Elles assurent une résilience supplémentaire en cas de défaillance partielle d'un élément structural.

Caractéristiques des entretoises

• Matériaux : Les entretoises sont généralement fabriquées en acier, parfois en profilés plats, angulaires, ou en tubes pour correspondre aux spécifications de la structure.
• Types :
  • Entretoises diagonales : Souvent utilisées pour former des triangles avec les poutrelles, augmentant la rigidité.
  • Entretoises horizontales : Utilisées pour maintenir les poutrelles en position, particulièrement en présence de charges horizontales.

Exemples d'applications

1. Bâtiments industriels :
   • Utilisation d'entretoises pour maintenir l'alignement des poutrelles dans les toitures et les planchers.
2. Ponts :
   • Les entretoises sont cruciales pour les ponts à poutrelles ajourées, garantissant la stabilité sous les charges de circulation et les forces de vent.
3. Structures temporaires :
   • Dans les échafaudages et les structures temporaires, les entretoises sont essentielles pour la stabilité et la sécurité des configurations souvent changeantes.

Conclusion

Les entretoises sont des éléments clés dans la conception et la construction des structures métalliques. Leur rôle dans la stabilisation, la distribution des charges, et l'augmentation de la rigidité globale de la structure est indispensable pour assurer la sécurité, la durabilité, et les performances des poutrelles ajourées en acier. En maintenant l'alignement et en redistribuant les charges, les entretoises contribuent de manière significative à la résilience et à l'intégrité des structures métalliques​​.