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Chapitre I : Généralités sur les constructions métalliques et les métaux 1 Anné

Chapitre I : Généralités sur les constructions métalliques et les métaux 1 Année universitaire : 2019/2020 Préparé par : PhD Ing. EL JAI Mostapha I. Historique II. Application et classement des construction métalliques III. Choix du matériau ACIER (conception, exécution, coût…) IV. Les matériaux de la construction métallique (Fer, fonte, acier, aluminium et alliages) 2 Préparé par M. EL JAI Nous nous contentons ici de donner certains faits, considérés comme les plus importants qui ont marqué le développement contemporain de la construction métallique : 1750 : Industrialisation de l’acier fondu 1779 : Premier pont métallique conçu par Abraham Darby : ponts arc de Coalbrookdale Severn (Angleterre) en fonte coulée 3 Préparé par M. EL JAI 1750 : Industrialisation de l’acier fondu. 1779 : Premier pont métallique conçu par Abraham Darby : ponts arc de Coalbrookdale Severn (Angleterre) en fonte coulée. 1801 : Première véritable ossature métallique de bâtiment (poutres et colonnes) en Angleterre. 1881 : Découverte et développement de la soudure à l’arc électrique 4 Préparé par M. EL JAI 1889 : Réalisation à Paris de la tour Eiffel, (structure rivetée de 300m de hauteur) à l’occasion de l’exposition universelle. 1931 : Construction de l’Empire State Bulding à New York : Ossature en acier de 380m de hauteur 5 Préparé par M. EL JAI 1931 : Utilisation de fils étirés à froid (Résistance à la traction de 1520 N/mm²) dans la construction à New York du George Washington Bridge de 1067 m de portée. 1973 : Construction du World Trade Center à New York . 110 étages et 410m de hauteur 1974 : Construction de la Sears Tower à Chicago 109 étages et 442m de hauteur. 6 Préparé par M. EL JAI 1981 : Réalisation du Humber Bridge à Hull (Grande-Bretagne) : Pont suspendu de 1410m de portée centrale. 1998 : Ouverture du Akashi Kaiko Bridge au Japon : pont suspendu de 2,5 Km de long, porté par 7 pylônes dont le plus haut a une hauteur de 343m. 7 Préparé par M. EL JAI Il y a peu de superstructures où la construction métallique ne puisse être envisagée. Les ossatures de bâtiments; Les ouvrages de franchissement (ponts) ; Les structures de halles industrielles ; Les pylônes, antennes ; Les engins de levage et de manutention ; Les échafaudages ; Les réservoirs, silos et enceintes métalliques ; Diverses structures particulières : télescopes, structures offshore (ex. : ouvrages hydrauliques et marins) , ... 8 Préparé par M. EL JAI 9 Préparé par M. EL JAI La conception d’une structure métallique (halles, bâtiments, ou autre) est basée sur son utilisation, soit ses caractéristiques de : Résistance (sécurité structurale) et de déformabilité (aptitude au service) Elle est donc influencée par les caractéristiques des matériaux qui la composent. Un projet de charpente métallique doit en conséquence être conçu et élaboré de façon à ce que les propriété du matériau ‘‘ACIER’’ soient utilisées au mieux (au maximum): 10 Préparé par M. EL JAI L’ensemble des critères de conception d’une ossature métallique fait appel à la connaissance approfondie du métal ‘‘ACIER’’ comprenant : son mode élaboration (Chap. 3) et modes de fabrication des produits (Chap. 2) sa caractérisation, ses propriétés fondamentales (Chap. 2) 11 Préparé par M. EL JAI On distingue trois phases : Etude du projet (Géométrie (éléments de construction, éléments de construction assemblés/Architecture), Chargement/exploitation (usage propre, normalisation (modèles de charges, ex. BAEL(pont), Eurocode 1- partie 2), Matériaux (Faire travailler le matériaux à son max de résistance)), … (environnement, agression extérieure, protection) Fabrication (en atelier ou au chantier) et montage (chantier) Utilisation et exploitation du bâtiment Maintenance, Destruction (environnement) 12 Préparé par M. EL JAI Phase 1 : Etude du projet Grandes portées : Création de grandes surfaces libres, réduction du nombre de poteaux) Section réduite des poteaux : comparé d’autre matériaux, les profilés d’acier possèdent des section bcp plus réduite avec une résistance très intéressante, d’où le succès des poteaux mixte (béton-acier) par exemple ! 13 Préparé par M. EL JAI Hauteur élevée des bâtiments : Seul l’acier permet d’atteindre des hauteurs de construction importantes. Dans le bâtiment à étages multiples, l’ossature métallique constitue la solution la plus économique, surtout avec les planchers à portée importante. Poids réduit sur les fondations : Grâce au poids réduit de la charpente métallique et des planchers mixtes (surtout avec du béton léger), les charges à transmettre au sol sont inférieures que dans le cas d’une construction massive. Economie sur les fondations et l’infrastructure cas de l’encombrement important de construction, sol médiocre (mauvaise qualité), à proximité de voies de circulation. 14 Préparé par M. EL JAI Souplesse de division de l’espace : donnée par l’utilisation d’une structure métallique permettant de réaliser de grandes surfaces sans poteaux verticaux, donc sans gêne pour une bonne gestion de l’espace. 15 Préparé par M. EL JAI Comportement en cas de séisme : Risques Les ondes émises lors d’un tremblement de terre sont transmises à toutes construction par l’intermédiaire des fondations. de par sa masse, le bâtiment tend à s’opposer aux mouvements qui lui sont imposés donnant lieu à des forces d’inertie alternées à caractère dynamique. La rupture a lieu lorsque la résistance ou la capacité à se déformer (ductilité) ou une combinaison des deux est insufisante. 16 Préparé par M. EL JAI Comportement en cas de séisme : Intérêts d’un squelette métallique Minimisation de l’action sismique grâce à des éléments constructifs légers. Maximiser la capacité de résistance en choisissant les assemblages et profilés adéquats. Maximiser la capacité de dissipation de l’énergie (vibration) grâce à la ductilité de la structure en acier. 17 Préparé par M. EL JAI Préfabrication de la structure L’ensemble des composants structuraux sont fabriqués en usine avec rationalité et rapidité d’exécution. Voir le détails des procédés de fabrication et assemblages au chapitre 3. 18 Préparé par M. EL JAI •Découpage, débitage, •Pliage, cintrage, encochage, perçage, •Traitements thermiques… •Soudage, boulonnage, clinchage, rivetage, agrafage… Durée de la construction (dimension économique) Manutention des éléments préfabriqués en chantier par le biais des grues mobiles et assemblages boulonnés ou mécanosoudés. Rapidité d’exécution ! Techniques indépendantes des cdts climatiques et des saisons (pas comme le béton !) 19 Préparé par M. EL JAI Tolérances Pour les bâtiments à ossature métallique, les écarts acceptables sur les dimensions des éléments de construction sont petits, ce qui permet un ajustage précis, des éléments d’enveloppe et de second œuvre. Ces fables tolérances sont possibles pour les raisons suivantes : petites tolérances de laminage des profilés utilisés, usinage et perçage effectués en atelier avec des machines de grande précision, déformations calculées des éléments porteurs proches des déformations réelles, pas de déformations différées. 20 Préparé par M. EL JAI Tolérances 21 Préparé par M. EL JAI Conditions favorables pour : le montage et pour la fixation des éléments second œuvre, l’esthétique (verticalité et planéité des façades), l’exploitation (verticalité des cages d’ascenseur , horizontalité des planchers) La structure étant, en premier lieu, destinée à une utilisation donnée, il est commode de prévoir une « deuxième vie » de l’ouvrage, en intégrant des modifications à la structure. Ces interventions peuvent consister à : Renforcer la structure porteuse pour supporter des charges supérieures à celles prévu lors de l’étude du projet, augmenter la portée en supprimant des poteaux et en renforçant les poutres et les assemblages 22 Préparé par M. EL JAI Augmenter le nombre d’étages, Modifier ou ajouter des parties dans le bâtiment Démonter des parties de la construction 23 Préparé par M. EL JAI Les éléments peuvent être réutilisés ou tout au moins réintroduits dans le circuit des matériaux sous forme de ferraille. Fin du cycle de vie : Une conception réaliste devrait toujours prévoir la démolition du bâtiment et tenir compte de cette fin d’utilisation dans le choix de la structure porteuse. 24 Préparé par M. EL JAI 25 Préparé par M. EL JAI Le fer est le métal de base le plus important pour les alliages techniques. Il est relativement abondant dans l'écorce terrestre (4,7 % en masse) sous forme d’états combinés dans de nombreuses roches. À 99,99%, le Fer est considéré comme pur et il n’est donc pas utilisé dans ce cas, car ces propriétés mécaniques et physico-chimiques sont médiocres. Ce sont donc les alliages du Fer qui sont utilisé précisément les alliages Fer-Carbone. 26 Préparé par M. EL JAI 27 Préparé par M. EL JAI Cristallin Arrangement régulier Les particules occupent des positions géométriquement définies : ordre à longue distance Amorphe Arrangement irrégulier il n’existe pas d’ordre à longue distance mais à courte distance comme pour les fluides Arrangement cristallin (des atomes) 28 Préparé par M. EL JAIAgrandissement à l’échelle atomique Agrandissement à l’échelle du grain À l’état solide, le Fer cristallise sous une structure Cubique Centrée (α ou δ) ou Cubique à Face Centrée (γ) selon la Température 29 Préparé par M. EL JAI Cubique Centrée (Fer ou Ferrite α ou δ) Cubique à Face Centrée (Austénite γ) Température : Structure Alpha [0°C, 912°C] Structure Delta [au voisinage de 1400°C] Température : Structure Alpha [912°C, 1400°C] A chaque structure correspond des caractéristiques mécanique et physico- chimiques précises uploads/Ingenierie_Lourd/ ch-i-generalites-sur-la-construction-metallique-metaux.pdf