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Fichier : L7-5-1.doc ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 7 ELEMENTS STRUCTURAUX Leçon 7.5.1

Fichier : L7-5-1.doc ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 7 ELEMENTS STRUCTURAUX Leçon 7.5.1 Poteaux - 1ère partie Page 1 OBJECTIF Décrire les différents types de poteaux en acier et expliquer les procédures de dimensionnement des membrures comprimées. PREREQUIS Leçon 6.1 : Concepts d'équilibre élastique stable et instable Leçon 7.2 : Classification des sections transversales LEÇONS CONNEXES Leçon 7.3 : Voilement local Leçon 7.6 : Poteaux composés Leçons 7.10.1 & 7.10.2 : Barres soumises à flexion composée Leçon 7.12 : Treillis et poutres treillis EXEMPLE ASSOCIE Exemple 7.5 : Calcul des poteaux RESUME Différents types de membrures comprimées (sections transversales constantes ou variables et poteaux composés) sont décrits. Les différences entre les poteaux trapus et élancés sont soulignées et les bases du dimensionnement fondé sur l'utilisation des courbes européennes de flambement sont établies. Page 2 1. INTRODUCTION Les poteaux sont des membrures verticales utilisées pour la reprise de charges axiales de compression. On rencontre de tels éléments de structure dans les bâtiments, par exemple, où ils supportent des planchers, des toitures ou des ponts roulants. Lorsqu'ils sont en plus soumis à des moments de flexion significatifs, on parle d’éléments comprimés-fléchis (poutre-poteaux en Belgique et en Suisse). Le terme « élément comprimé » s'applique aux composantes d'une structure soumise à des charges axiales de compression ; il peut donc couvrir les poteaux (dans des conditions spéciales de chargement) mais se rapporte plus généralement aux pièces comprimées et biarticulées que l'on rencontre dans les treillis et les systèmes de contreventement. Cette leçon traite des membrures comprimées et ne se rapporte dès lors que très peu aux poteaux réels pour lesquels les excentricités des charges axiales et surtout les charges transversales ne sont généralement pas négligeables. Néanmoins, les membrures comprimées constituent un cas élémentaire qui aide à la compréhension des phénomènes liés à la compression lors de l'étude des éléments comprimés et fléchis (leçons 7.10.1 et 7.10.2), des ossatures (leçon 7.11) et des éléments en treillis (leçon 7.12). Du fait de l'élancement relativement important de la plupart des membrures comprimées en acier, le flambement peut apparaître ; cette instabilité qui se caractérise par l'apparition d'un moment de flexion dans le poteau soumis à effort axial, doit être soigneusement vérifiée. La leçon décrit brièvement les différents types de membrures comprimées et s'attache à expliquer le comportement des poteaux trapus et élancés ; elle fournit également les courbes de flambement utiles au dimensionnement des poteaux élancés. Page 3 2. PRINCIPAUX TYPES DE MEMBRURES COMPRIMEES 2.1 Membrures simples à section transversale uniforme La capacité des éléments comprimés à transmettre des efforts importants de compression est liée à la valeur élevée du rayon de giration, i, correspondant à la direction de flambement considérée. A cet égard, les tubes circulaires représentent une solution optimale, dans la mesure où ils permettent de maximiser ce paramètre quelle que soit la direction de flambement. Les assemblages impliquant de tels profils sont par contre coûteux et difficiles à dimensionner. Il est également possible de recourir à des sections tubulaires carrées ou rectangulaires (les tubes carrés constituent le meilleur choix) ; les assemblages sont plus simples à réaliser mais restent néanmoins coûteux. Les sections laminées à chaud sont en fait les sections les plus couramment utilisées pour les éléments comprimés. La plupart d'entre elles sont à ailes larges, ce qui les rend propices à la reprise d'efforts de compression. Leur allure carrée leur confère une valeur relativement élevée du rayon de giration transversal iz et l'épaisseur de leurs ailes prévient l'instabilité par voilement local (une attention toute particulière doit toutefois être accordée aux sections H soit à parois plus élancées, soit à haute limite d'élasticité). Les profils ouverts issus des techniques traditionnelles de laminage facilitent la réalisation des assemblages poutre-poteau ou autres. Les caissons soudés et les profils H reconstitués par soudage peuvent également convenir, à condition de se prémunir contre le voilement prématuré des parois. Ils peuvent être dimensionnés pour reprendre les charges requises et sont faciles à assembler à d'autres éléments ; ils peuvent être renforcés à l'aide de plats de recouvrement soudés. Les différents types de section repris ci-dessus sont illustrés à la figure 1 ; il convient de noter que :  le type d'assemblage utilisé est important en vue du dimensionnement des membrures simples comprimées dans la mesure où il détermine la valeur de la longueur effective de flambement à prendre en considération. Les sections circulaires ne constituent donc pas la solution optimale si leurs longueurs effectives dans les deux directions principales de flambement ne sont pas identiques ; dans ce cas, les sections non symétriques doivent être préférées.  les membrures sont fréquemment soumises à des moments de flexion en plus du chargement axial ; les sections en I peuvent alors être préférées aux sections en H. Page 4 2.2 Membrures simples à section transversale non uniforme. Les membrures dont la section transversale varie sur leur longueur sont qualifiées de membrures à section non uniforme ; les membrures à section continûment variable et les membrures à section variable par tronçons font partie de cette catégorie. Dans les membrures à section continûment variable (figure 2), la géométrie de la section transversale évolue, comme le nom l'indique, de façon continue le long de l'élément ; il peut s'agir de profils ouverts ou de caissons constitués par soudage de plusieurs éléments ; les âmes ou les semelles, voire les deux peuvent être à dimensions variables. Un exemple classique est celui d'un profil à section H ou I dont l'âme est découpée le long de sa diagonale ; une membrure à section continûment variable est alors obtenue en retournant et en solidarisant par soudage les deux demi-profils. Les poteaux à section variable par tronçons (figure 3) sont caractérisés par une section transversale dont la géométrie évolue par zones. L'exemple souvent cité est celui de bâtiments industriels avec un pont-roulant ; la section réduite des poteaux dans sa partie supérieure est suffisante pour reprendre les charges de toiture mais doit être accrue au niveau du pont-roulant pour supporter les charges additionnelles. Les poteaux à section variable par tronçons peuvent également être utilisés dans les structures de bâtiments multi-étagés pour permettre aux poteaux de résister aux charges qui agissent aux étages inférieurs. 2.3 Poteaux composés Les poteaux composés sont réalisés à partir d'une variété d'éléments différents ; ils sont constitués de deux ou plusieurs composants principaux connectés ensemble par intervalles afin de reconstituer un nouvel élément (figure 4). Des sections en U et des cornières sont souvent utilisées comme composants de base, mais il est également possible de recourir à des profils I ou H ; ces derniers permettent de réaliser des membrures en treillis ou à étrésillons, par combinaison avec des éléments plus simples (barres, cornières ou profils en U plus petits) ; ces deux types de réalisation peuvent être également combinés (figure 5). Les poteaux constitués de plats perforés (figure 6) appartiennent aussi à cette catégorie. L'avantage de ce système de fabrication est de fournir des membrures relativement légères et à rayon de giration élevé en raison de la disposition favorable de la matière loin du centre de gravité de la section. Le plus gros désavantage provient des coûts de fabrication élevés. Ces membrures sont généralement destinées à de grandes structures dans lesquelles les poteaux sont hauts et soumis à des charges de compression importantes. Il faut noter que l'instabilité de chaque élément individuel doit être vérifiée avec attention. La figure 7 représentent des diagonales composées de membrures rapprochées et fournit des détails concernant les éléments dits « en étoile » constitués de cornières accolées. Ces membrures, moins efficaces que les précédentes en raison de leur plus faible rayon de giration, permettent d’éviter le flambement individuel de cornières couplées. Le fait Page 5 de pouvoir être connectées facilement à d'autres membrures justifie l'intérêt qu'on leur porte. Elles se comportent de façon similaire aux précédentes et sont, à ce titre, mentionnées dans cette partie de la leçon. Elles se rencontrent fréquemment dans les poutres en treillis. Les poteaux composés peuvent posséder des sections transversales uniformes ou non uniformes ; citons, à titre d'exemple, les poteaux composés à section variable continûment ou par tronçons (figure 8). Le dimensionnement des poteaux composés sera examiné à la leçon 7.6. Page 6 3. COMPRESSION PURE SANS INSTABILITE 3.1 Poteaux courts Les poteaux courts (ou trapus) sont caractérisés par un élancement très faible, ne sont pas influencés par les phénomènes d'instabilité et peuvent être dimensionnés sur la base de l'atteinte de la limite d'élasticité fy. Si aucune instabilité locale par voilement ne limite la résistance en compression (ce qui peut être supposé pour les sections transversales de classe 1, 2 ou 3), le mode de ruine est conforme au comportement parfaitement plastique de la section transversale toute entière dans la mesure où il survient théoriquement lorsque la contrainte d'élasticité fy est atteinte dans chaque fibre. Il convient de noter que les contraintes résiduelles et les imperfections géométriques sont pratiquement sans effet sur la charge de ruine de ce type de poteau et que la plupart des tronçons courts testés uploads/Ingenierie_Lourd/ elements-structuraux-pdf.pdf