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1 CT 57 (ANNÉE SCOLAIRE 2001/2002) Charpente Métallique JM CHATEL 2 Charpente m

1 CT 57 (ANNÉE SCOLAIRE 2001/2002) Charpente Métallique JM CHATEL 2 Charpente métallique 1 - Le matériau acier 2 - Les instabilités élastiques 3 - L ’ossature d ’un bâtiment métallique 4 - Le contreventement 5 - Les assemblages 6 - Les règles neige et vent 7 - Les ponts roulants 8 - L ’incendie et la construction métallique 3 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.0 - Définition Composition de l ’acier ? Résulte de la transformation de matières tirées du sol Principalement : Accessoirement : - manganèse - chrome - nickel, etc ... - minerai de fer - carbone + 4 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.1 - Historique (1/2) Le fer est un matériau connu depuis très longtemps (1700 avant JC) Jusqu ’en 1750, le matériau utilisé comprend un pourcentage de carbone très important Fonte (matériau fragile) A partir de 1750 le matériau est affiné Fer doux (matériau plus souple) 1856 - Procédé BESSEMER Acier (souple et résistant) 1864 - Procédé MARTIN 1876 - Procédé THOMAS Industrialisation (prix plus abordables) 5 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.1 - Historique (2/2) 1779 - Premier pont métallique en Angleterre (31 m de portée , fonte coulée) 1851 - CRYSTAL PALACE à LONDRES (70 000 m², 33m de haut) 1855 - Halles BALTARD à PARIS 1881 - Découverte de la soudure à l ’arc 1889 - Construction de la tour EIFFEL (300 m) 1892 - Effondrement d ’un pont métallique par flambement 1931 - Empire State Building (380 m) Etc... 1884 - Viaduc de GARABIT 6 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.2 - Élaboration de l ’acier (1/2) 7 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.2 - Élaboration de l ’acier (2/2) 8 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.3 - Classification de l ’acier MATERIAUX % DE CARBONE UTILISATION - aciers doux - aciers mi-durs - aciers durs - aciers extra-durs 0,05% < C < 0,3% 0,30% < C < 0,6% 0,60% < C < 0,75% 0,75% < C < 1,2% charpente, boulons rails, pièces forgées outils outils, poinçons - fontes 1,7% < C < 6,3% pièces coulées, culasses moteurs, bâtis machines. 9 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.4 - Les caractéristiques de l ’acier (1/4) Masse volumique : 7850 kg/m3 (béton armé 2500 kG/m3) Dilatation thermique : Allongement relatif  =  .  T avec  = 12.10-6 /°C Dispositions constructives pour contrer ce phénomène (ou calculs) Exemples : Joints, trous oblongs, etc … 10 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.4 - Les caractéristiques de l ’acier (2/4) Limite d ’élasticité :  en o\OO  en MPA O A B C D e Norme nationale Eurocode 3 Limite d’élasticité (MPa) Limite de rupture (MPa) A 33 S 185 185 310 E 24 S 235 235 360 E 28 S 275 275 430 E 36 S355 355 510 Nuances 11 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.4 - Les caractéristiques de l ’acier (3/4) L ’essai de résilience Permet de caractériser l ’aspect plus ou moins fragile du matériau (sous l ’effet d ’un choc) h1 h2 E = mg(h1-h2) Plus h2 est faible plus l ’éprouvette a absorbée d ’énergie plus le matériau est ductile 12 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.4 - Les caractéristiques de l ’acier (4/4) C B A O C   O A B  L ’énergie absorbée est proportionnelle à l ’aire OABC °C FRAGILE DUCTILE E L ’énergie absorbée varie en fonction de la température 13 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.5 - Avantages et inconvénients de l ’acier ACIER BÉTON e(compression) de calcul 240 MPa 15 Ma e(traction) de calcul 240 MPa 0 MPa Comparatif en poids : N N h Pour reprendre cet effort N, il faut mettre en œuvre en poids une quantité de béton 4,8 fois plus lourde qu ’en acier. 14 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.5 - Avantages et inconvénients de l ’acier ACIER BÉTON Fluage Rare Important (flèches différées) Adaptation plastique Importante Très faible Tenue au feu Mauvaise sans protections complémentaires Bonne 15 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.6 - Adaptation plastique de l ’acier (1/3) Diagramme des contraintes en se limitant au domaine élastique Mu b h Tant que Mu < Me (moment élastique) les fibres travaillent toutes dans le domaine élastique de l ’acier Me= e . b . h² 6 16 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.6 - Adaptation plastique de l ’acier (2/3) Mu b h Toutes les fibres plastifiées + Mu’ e e e + Mu’’ Apparition d ’une rotule plastique Pour qu ’il y ait équilibre de la section, le moment ultime total Mu doit être inférieure au moment plastique MP MP= Wpl . e Wpl : module d ’inertie plastique de la section par rapport à l ’axe …. 17 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.6 - Adaptation plastique de l ’acier (3/3) Exemple de dimensionnement : L = 8,00 m L = 8,00 m pu = 50 kN/m En admettant que dans ce cas, le comportement plastique du matériau soit accepté par la réglementation, proposer un profilé permettant de supporter cette charge. Question : 18 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.7 - Les produits sidérurgiques Les poutrelles normales européennes IPN Les poutrelles I européennes IPE Les poutrelles H européennes à larges ailes ou à très larges ailes HE HL (HEA, HEB, HEC, HEM, HEA-A, HL) Les poutrelles-poteaux à larges ailes HD Les poutrelles-pieux à larges ailes HP Les fers U normaux européens UPN Les fers U à ailes parallèles UAP Les cornières, les plats, les plaques, tôles et plaques en relief, ... 19 1 - LE MATÉRIAU ACIER 1.8 - Réglementation et règles de calcul Charges permanentes NF P 06 004 Charges d'exploitation NF P 06 001 Charges neige règles NV 65 et N 84 Charge vent règles NV 65 Charges ponts roulants recommandation CTICM Actions des séismes règles parasismiques PS 92 (NFP 06013) recommandations AFPS 90 (3 tomes ) Les actions sur les constructions : Les règles de calcul : Règles nationales Règles européennes Règles CM 66 calcul en élasticité (critère de contrainte) Additif 80 calcul en plasticité Eurocode 3 applicable à partir de 1996 20 2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES 2.1 - Le flambement (1/4) F ETAT NON DEFORME Dans un premier temps nous n ’avons pas pris en compte les déplacements de la structure dans le calcul des sollicitations (M,N et V) F N ETAT NON DEFORME F v1 ETAT DEFORME AVEC F SEUL Le déplacement v1 n ’a pas d ’influence sur la valeur maximum du moment fléchissant F N v2 ETAT DEFORME AVEC F ET N Le déplacement v2 a une influence certaine sur la valeur maximum du moment fléchissant ! Augmentation du risque de flambement 21 2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES 2.1 - Le flambement (2/4) Vérification au flambement Limitation de l ’effort N < Nk avec Nk = ² . E . A (maxi)² ² . E . Imini (Lf)² = 22 2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES 2.1 - Le flambement (3/4) Lf > Lo Diminution de la longueur de flambement : Lo Vent  important Vent Lf << Lo  faible 23 2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES 2.1 - Le flambement (4/4) Systèmes articulés : Compression Montant limitant la longueur sur laquelle peu flamber la membrure supérieure 24 2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES 2.2 - Le déversement d ’une poutre (1/3) Ce phénomène s ’observe sur des éléments fléchis par rapport à leur axe de plus grande inertie Considérons une poutre sur deux appuis soumis à un chargement ponctuel à mi-travée : COMPRIMEE TENDUE FIBRE TENDUE FIBRE COMPRIMEE L ’aile supérieure comprimée risque de flamber Déversement du profilé 25 2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES 2.2 - Le déversement d ’une poutre (2/3) Cas particulier : Déversement d ’une console 26 2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES 2.2 - Le déversement d ’une poutre (3/3) Dispositions constructives : Semelles noyées dans la dalle béton Semelles liées aux éléments qu ’elles supportent Mise en place d ’entretoise dans le cas où la semelle inférieure est comprimée 27 2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES 2.3 - Le voilement des plaques Le voilement est une instabilité élastique pouvant affecté les plaques (âme des profilés en I par exemple) Voilement de l ’âme sous l ’action de la charge localisée Voilement sous l ’effet d ’un effort tranchant trop important (au droit d ’un appui par exemple) 28 2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES 2.3 - Le voilement des plaques Dispositions constructives : P P Mise en place de raidisseurs 29 3 - L ’OSSATURE D ’UN BÂTIMENT MÉTALLIQUE 3.1 - Définitions Bâtiment = Ossature + enveloppe (ensemble bardage/couverture) Ossature = Ensemble de toutes les barres d ’une construction (poteaux, traverses, poutres,…) assemblées entre elles pour former le squelette. Enveloppe = Ensemble bardage + couverture 30 3 - L ’OSSATURE D ’UN BÂTIMENT MÉTALLIQUE 3.2 - Terminologie PIGNON LONG PAN PALEE DE STABILITE POTEAU POTELET POUTRE AU VENT PORTIQUE. FAITIERE LIERNE BRETELLE PANNE SABLIERE LISSE SUSPENTE 31 3 - L ’OSSATURE D ’UN BÂTIMENT MÉTALLIQUE 3.2 - Terminologie uploads/Ingenierie_Lourd/ charpente-metallique 1 .pdf