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Documentation du cours SZS steelacademy 2012 «construction mixte - tables de di

Documentation du cours SZS steelacademy 2012 «construction mixte - tables de dimensionnement pour la pratique» EPFL Lausanne Réalisations – Gabriele Guscetti INGENI INGENIERIE STRUCTURALE SZS / Antenne romande / Polydôme EPFL, Lausanne-Ecublens, août 2012 1 REALISATIONS EN CONSTRUCTION MIXTE ACIER – BETON Gabriele Guscetti ing. EPF – INGENI SA INTRODUCTION Dès que la production et la mise en œuvre du béton furent maitrisées vers le milieu du XIX siècle, les ingénieurs et constructeurs ont rapidement associé les deux nouveaux matériaux de l’époque – l’acier et le béton – pour obtenir des constructions performantes et donner lieu à des nouvelles formes bâties. Le résultat fut un bouleversement radical de l’architecture et de l’ingénierie, particulièrement bien illustré par le mouvement moderne du siècle passé. Comme on peut souvent l’observer lors de l’avènement d’une nouvelle technique ou technologie, de nombreuses expérimentations et une créativité remarquable virent naître quasi simultanément les deux grandes familles de cette association de matériaux, le béton armé et la construction mixte. Noyer des profilés métalliques dans une masse de béton fut logiquement le premier réflexe qui permit d’observer un meilleur comportement de l’ensemble par rapport à la simple poutrelle. La « slim-floor » naquit ainsi en 1852 grâce à François Coignet. Ceci pour dire que la formidable palette de techniques et produits présentés dans les nouvelles tables SZS C1 est le résultat de près de deux siècles d’expérimentation, d’abord empirique et par la suite scientifique, d’ingénieurs et de chercheurs. Dans ma contribution, je présente trois projets réalisés par notre bureau ces dernières années pour lesquels nous avons développé des constructions mixtes particulières. Ces réalisations montrent la formidable capacité d’adaptation de cette technique de construction aux nombreuses exigences et contraintes que l’on peut rencontrer lors de l’élaboration d’un projet. DEVELOPPEMENT D’UN NOUVEAU TYPE DE POUTRES MIXTES A SOUS-TIRANT Nous avons réalisé cette structure dans le cadre d’une importante construction industrielle à Genève pour l’entreprise ROLEX bien connue pour ses montres. En synthèse, trois principes essentiels ont guidé la conception des structures porteuses : 1. La légèreté du système : en relation à la faible portance du sol de fondation composé d’une couche molle et compressible de 40m d’argile et de limon 2. la rapidité de construction : en relation au planning général de l’opération. 18 mois pour bâtir un volume d’environ 660'000m3 3. la perméabilité de la structure : en relation à la densité et la complexité des installations techniques distribuées au plafond. Il s’agissait donc de réaliser les structures porteuses de 24 planchers d’atelier comme celui montré dans l’image. Les planchers mesurent 62.5m de longueur, 30m de largeur et 5m de hauteur. 4 noyaux assurent la distribution verticale des installations techniques ; ils Documentation du cours SZS steelacademy 2012 «construction mixte - tables de dimensionnement pour la pratique» EPFL Lausanne Réalisations – Gabriele Guscetti INGENI INGENIERIE STRUCTURALE SZS / Antenne romande / Polydôme EPFL, Lausanne-Ecublens, août 2012 2 sont également utilisés pour la stabilité. Les espaces sont organisés en deux surfaces d’atelier de 52.5m par 12.5m sans pilier. Ces surfaces sont divisées par un couloir central de 5m de largeur. Longitudinalement, les piliers centraux sont espacés de 7.5m. Sur cette base géométrique, certainement non optimale du point de vue des structures, nous avons développé un concept général du système porteur selon le principe suivant :  une surface plate est réservée à la distribution des installations techniques  un réseau de poutres métalliques intégrées à l’épaisseur de la dalle en béton armé, selon le principe des slim-floors, définit le système porteur transversal et longitudinal  des montants verticaux, qui permettent également la fixation des éléments techniques du plafond, sont distribués selon le module carré de 2.5 m  deux réseaux de sous-tirants disposés dans la trame des montants donnent à la structure sa capacité portante et sa rigidité  une absorption phonique est intégrée à la dalle préfabriquée  les installations techniques sont librement distribuées au plafond. Les données du projet nous ont ainsi conduits à concevoir un système porteur mixte acier–béton particulier, faisant largement appel aux méthodes de la préfabrication et de l’automatisation des processus de fabrication des éléments structurels. Les poutres principales espacées de 2.5m ont une portée de 12.5m. Entre les piliers du couloir, les poutres sont reprises par des sommiers conçus selon le même principe mais avec une portée de 7.5m. Plus en détail, le système se présente ainsi :  la poutre à sous-tirant comporte une membrure supérieure en composé soudé, noyée dans l’épaisseur de la dalle  sa section triangulaire garantit la rigidité flexionnelle et torsionnelle nécessaires dans les différentes phases de construction et d’exploitation  les ouvertures latérales dans les âmes permettent au béton et à l’armature transversale de pénétrer à l’intérieur de la section, diminuant l’anisotropie de la dalle  le tirant de la ferme est formé d’un couple de barres en acier plein de 50mm par 120mm  il est obtenu par oxycoupage de tôles fortes selon un principe prédéfini d’optimisation qui permet de récupérer les restes de la matière pour fabriquer les montants  le tirant suit la forme d’une parabole discrétisée, conformément au polygone funiculaire des charges uniformément réparties  la dalle en béton a une épaisseur de 25cm dont 19cm véritablement actifs  elle est composée d’éléments standards préfabriqués qui intègrent une absorption phonique de 6cm d’épaisseur  13cm de béton coulé en place complètent son épaisseur totale et assurent le monolithisme et le comportement mixte du système. Nous obtenons ainsi une solution qui utilise et partage de façon optimale l’espace disponible pour les installations techniques et pour la structure porteuse en dégageant une hauteur statique maximale de 1.3m et un encombrement minimal des éléments porteurs. Documentation du cours SZS steelacademy 2012 «construction mixte - tables de dimensionnement pour la pratique» EPFL Lausanne Réalisations – Gabriele Guscetti INGENI INGENIERIE STRUCTURALE SZS / Antenne romande / Polydôme EPFL, Lausanne-Ecublens, août 2012 3 Les avantages techniques sont liés essentiellement à l’utilisation efficace de la matière et des éléments structurels. Nous pouvons les résumer ainsi :  la construction est facile et rapide : la ferme métallique est utilisée comme structure porteuse en phase de construction, aucun système provisoire n’est nécessaire (image coupe transv.)  l’effet mixte, grâce à la largeur de participation de la dalle, augmente d’un facteur 5 la rigidité longitudinale du système (image vue en plan avec diffusion compression)  la dalle et la membrure supérieure intégrée permettent la reprise des charges asymétriques et ponctuelles  les dispositions constructives limitent le caractère anisotrope de la dalle provoqué par la poutre intégrée (image vue en plan avec force conc. et sa diffusion dans deux directions)  la solution est légère pour une portée de 12.5m, son poids propre est de 5.8kN/m2 ; grâce à cela aucune fondation spéciale n’a été nécessaire  la structure finale permet la reprise de charges importantes, la charge utile est de 10kN/m2 et la charge ponctuelle de 2x85kN  la fabrication des éléments métalliques est hautement standardisée et automatisée ; les machines à commandes numériques exécutent environ 70% des opérations de fabrication  économiquement, cette solution est plus chère d’environ 10% par rapport à un système classique à sommiers. Ce surcoût est largement compensé par les avantages du système qui permettent entre autres d’optimiser les espaces utiles avec d’importants gains économiques indirects. Lors de la conception, nous nous sommes posé un certain nombre de questions sur le comportement de ce type de structure composite ayant une portée relativement importante. Trois points nous paraissaient essentiels :  le comportement mixte indispensable à la rigidité et à la résistance du système  le comportement dynamique, déterminant pour l’aptitude au fonctionnement  le contrôle de la fissuration, puisque la surface de la dalle sera protégée uniquement par une mince couche de résine epoxy sensible aux fissures. Comportement mixte Pour des raisons constructives, la connexion à l’interface acier–béton n’a pas pu être réalisée avec des goujons. L’adhérence est assurée par une barre d’armature soudée à la partie supérieure de la membrure métallique. Les ouvertures latérales dans les âmes contribuent aussi à la création d’un état de rugosité par développement de bielles de compression sur l’épaisseur de la tôle de l’âme. Ces ouvertures permettent également le passage de barres d’armature qui améliorent la répartition transversale des charges et agit favorablement sur le contrôle de la fissuration comme on le verra plus tard. Analyse dynamique L’ensemble de cette problématique est très complexe et ne possède pas de solution unique adaptée à tous les cas d’oscillations continues ou transitoires qui peuvent se présenter. Le critère finalement retenu pour la conception de cette structure est celui d’une fréquence fondamentale des dalles supérieure à 7.5Hz en présence d'une charge utile de 5kN/m2. Ce critère est basé sur l’expérience qui montre, d’une part, que la mise en résonance par un homme d'une structure dont la fréquence fondamentale est Documentation du cours SZS steelacademy 2012 «construction mixte - tables de dimensionnement pour la pratique» EPFL Lausanne Réalisations – Gabriele Guscetti INGENI INGENIERIE STRUCTURALE SZS / Antenne romande / Polydôme EPFL, Lausanne-Ecublens, août 2012 4 uploads/Ingenierie_Lourd/ c1-12-8-f-guscetti-kl.pdf