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Calcul des structures métalliques selon l’Eurocode 3 Présenté par M. Salgues ma

Calcul des structures métalliques selon l’Eurocode 3 Présenté par M. Salgues marie.salgues@mines-ales.fr Réalisé par A. Bertron, professeur à l’INSA de Toulouse 1 Organisation de l’enseignement • Cours : 8 heures • TD : 8h • BE : 2h • Conférence : 2h • DS : 1h30 2 Plan du cours Données générales sur la construction métallique Conception, technologie et spécificités des ouvrages métalliques Rappels sur les Eurocodes 0 et 1 (EL, actions, combinaisons d’actions) Dimensionnement des éléments d’ossature à l’EC3 Le matériau métallique dans l’EC3 Classification des sections Dim. traction, compression-flambement, flexion simple à ELU, ELS Assemblages 3 Aspects économiques Avantages et inconvénients de la CM Fabrication et caractéristiques de l’acier de CM 4 Introduction Construction métallique = 2 domaines : • Charpente métallique : conception, dimensionnement et mise en œuvre d’ossatures (ou structures porteuses) métalliques d’ouvrages divers (bâtiments, hangars, ponts, pylônes, silos…). En Europe, conception des structures selon Eurocode 3 • Chaudronnerie : réalisation d’appareils et d’installation (réservoirs, tuyauterie…) pour ≠ industries (chimique, pétrolière…). Différentes normes spécifiques. 5 1.1 Aspects économiques En charpente métallique : En France : 530 entreprises employant chacune entre 10 et 1000 salariés (PME). En 2006, 14000 salariés permanents, dont : • 44 % ouvriers en atelier • 18 % ouvriers sur chantier • 38 % personnel d’encadrement atelier & chantier, BE, admin. et commerciaux L’essentiel du travail en CM est réalisé en atelier (fabrication des profilés métalliques) et non sur chantier (seulement assemblage et montage). 6 Répartition du coût d’une charpente métallique 7 D’après Lescouarc’h 2010 Répartition de la consommation d’acier (tonne) par type de réalisation Habitations < 1 %. Consommation de CM par habitant et par an dans le monde Bonne résistance des CM aux séismes 8 D’après Lescouarc’h 2010 Phases de réalisation d’un bâtiment à ossature métallique : 1. Conception générale du bâtiment 2. Conception et prédimensionnement de la structure acier 3. Etudes et plans d’exécution de la structure 4. Plans d’atelier et fabrication en usine 5. Transport sur le site 6. Montage sur le site Fabrication des pièces en usine Phase de chantier relativement courte. 9 1.2 Avantages et inconvénients • Avantages principaux de la CM ▫Délais d’exécution courts Travail en atelier industrialisation de la fabrication ▫Travail essentiellement en atelier par main d’œuvre qualifiée ▫Résistance mécanique : Résistance élevée de l’acier grandes portées avec poids de structure limité Possibilité d’adaptation plastique offrant grande sécurité Bonne tenue aux séismes car ductilité de l’acier et phénomène de rotules plastiques comportement symétrique T/C => reprise des moments inversés ▫Transport aisé (poids peu élevé) ▫Phase de montage brève, peu bruyante (Peu de nuisance pour voisinage) ▫Modifications aisées après la construction (transformations, surélévations…) ▫Potentialités architecturales 10 • Inconvénients principaux de la CM ▫Susceptibilité aux phénomènes d’instabilité Car structures élancées ▫Mauvaise tenue au feu Mesures de protection onéreuses ▫Nécessité d’entretien régulier des revêtements protecteurs contre la corrosion pour assurer la pérennité de l’ouvrage Coût… 11 1.3 Fabrication et caractéristiques de l’acier de CM Acier : • Matériau constitué essentiellement de fer Fe + un peu de carbone (C < 1 %) • Phosphore P et soufre S : ▫impuretés altérant les propriétés des aciers • Si, Mn,W, V : introduits intentionnellement dans les aciers alliés ▫améliorent les caractéristiques mécaniques (résistance à la rupture, limite d’élasticité, dureté, résilience, soudabilité…) Classification et utilisation des aciers : 12 1.3.1 Composition Types d’aciers Teneurs en carbone (%) Utilisation Doux 0,05 – 0,3 Charpente, boulons Mi-durs 0,3 – 0,6 Rails, pièces forgées Durs 0,6 – 0,75 Outils Extra-dur 0,75 – 1,70 Outils poinçons Sauvages 1,20 – 1,70 Pièces spéciales Influence de la composition chimique sur les propriétés de l’acier : • Carbone : ▫augmentation des résistances mécaniques Résistance à la rupture de 60 MPa par 0,1 % de C Limite élastique de 40 MPa par 0,1 % de C ▫augmentation dureté et fragilité ▫réduction ductilité (déformabilité) • Phosphore et soufre : ▫Augmentation de la fragilité (à froid) ▫Augmentation de la ségrégabilité de l’acier • Oxygène : ▫avec Si et Al, forme des oxydes inclusions et points de fragilité dans l’acier • Hydrogène : ▫forme des bulles dans l’acier points de fragilité 13 • Matières premières extraites des sous- sols dans mines de fer et de charbon • Production de l’acier en 2 phases : 1. Combustion du minerai dans un haut fourneau Fonte (>1,7 % C) 2. Conversion fonte acier sous insufflation d’O2 : décarburation ( %C) • Mise en forme : 1. Coulée continue Lingotière : moule en cuivre de section Carrée (bloom ou billette) produits plats (plaques, tôles) Rectangulaire (brame) produits longs (poutrelles, rails, barres, fils…) Refroidissement progressif 2. Laminage 14 1.3.2 Elaboration et mise en forme des aciers de construction Mise en forme finale des profilés de construction métallique : • Laminage à chaud : ▫Mode privilégié de fabrication en CM ▫Acier à l’état pâteux (environ 1200 °C) déformé au passage entre des cylindres en rotation • Laminage à froid : ▫Déformation imposée à froid par machines à galets pliages succesifs ▫Pour tôles minces • Laminage à chaud puis soudage : ▫ PRS (profilés reconstitués soudés) 15 Laminage des produits longs type poutrelles (Wikipedia) 1.3.3 Principaux produits sidérurgiques utilisés comme éléments de structure 16 Désignation Description et utilisation Schéma de section droite Profilés en I •Fort déséquilibre entre moments quadratiques des deux directions principales. => Flexion simple (poutres de planchers…). IPN (ailes inclinées), IPE (ailes à faces parallèles, profils européens), IPEA (profils européens allégés), IPER (renforcés) Profilés en H Inertie latérale > Inertie des profilés en I de même hauteur. => Compression et des sollicitations composées (poteaux…). HEAA, HEA, HEB, HEM Profilés en U => Pièces secondaires en flexion (fers de rive de planchers), triangulations d’ossatures en treillis (jumelés). UPN (ailes inclinées), UAP (ailes parallèles). Cornières à ailes égales ou inégales ⇒Treillis, palées de stabilité et éléments d’assemblages simples des profils en I ou H. Cornières au dixième (épaisseur = largeur de l’aile/10) = les plus utilisées Larges plats et tôles lisses => Confection des PRS Laminés, largeur jusqu’à 2050 mm 1.3.3.1 Produits laminés à chaud 17 1.3.3.1 Produits laminés à chaud (suite) 1.3.3.2 Produits formés à froid • Tôles laminées à froid et produits fabriqués à partir de ces tôles par profilage • Pliage à froid produits longs, légers et performants, grand choix de formes de sections droites • Utilisés comme poutrelles fléchies (solives, pannes, ossatures de façades) attention à la résistance aux instabilités !! 18 1.3.3.3 Profils creux formés à chaud ou à froid • Tubes : essentiellement utilisés pour reprendre des efforts normaux de traction ou compression particulièrement dans les structures en treillis. • Processus de fabrication particuliers ; on distingue : ▫ Les tubes sans soudures : Obtenus par formage et étirage à chaud de pièces massives. ▫ Les tubes soudés Fabriqués par roulage de tôles planes puis soudage automatique des bords libres. • Dans les calculs, distinction entre tubes finis à froid et tubes finis à chaud. Tubes finis à chaud : favorisés en compression par un plus faible niveau de contraintes résiduelles meilleure résistance au flambement. • Coût plus élevé mais bon rendu esthétique. 19 1.3.3.4 Produits dérivés des profilés laminés et PRS • Profils reconstitués soudés (PRS) : ▫ Elaboration profilés en I en les reconstituant par soudage de tôles et larges plats. ▫Sections d’aciers ajustées au plus près des besoins de résistance PRS peuvent avoir des caractéristiques particulières : ailes inégales ou section non constante le long de l’élément… ▫Gain de poids > surcoût fabrication des PRS* *A partir d’un certain niveau de chargement et/ou pour des dimensions particulières de la structure 20 1.3.3.4 Produits dérivés des profilés laminés et PRS (suite) Les profilés de base peuvent être transformés : • Production de poutres alvéolaires (opération standardisée) à partir de profils normalisés ▫ âme découpée selon une ligne polygonale ▫ jumelage par soudage de ces profils pour former des caissons. • Parachèvement : cintrage de profils ou découpe de demi-profils (pour poutres treillis par ex.) 21 1.3.3.5 Organes d’assemblage en CM Les boulons • Boulonnage : moyen d’assemblage le plus utilisé en CM du fait de : ▫ sa facilité de mise en œuvre ▫ des possibilités de réglage sur site • Boulon = vis, écrou (+ 1 ou 2 rondelles). • 2 familles de boulons : ▫ Boulons normaux ou ordinaires ▫ Boulons à serrage contrôlé ou boulons précontraints 22 1.3.3.5 Organes d’assemblage en CM (suite) Les soudures • Principalement : réalisation de PRS ou adjonction d’accessoires sur pièces principales (goussets raidisseurs, platines…) • Apport extérieur de métal fondu en même temps que le bord des pièces à assembler • Métal apporté sous forme : ▫ d’un fil d’électrode dans les procédés automatiques et semi-automatiques ▫ d’une baguette électrode enrobée pour les procédés manuels. • Normes spécifiques. • Choix des produits d’apport: ▫ nuance du métal ≥ nuance au métal de base ▫ bonnes uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-cm-marie-salgues.pdf