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Fichier : L9-1 ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 9 CONSTRUCTION EN ELEMENTS MINCES Leçon

Fichier : L9-1 ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 9 CONSTRUCTION EN ELEMENTS MINCES Leçon 9.1 Éléments et panneaux à parois minces Page 1 OBJECTIF Introduction des éléments formés à froid et discussion au sujet de leur fabrication, de leurs applications et de leur dimensionnement. PREREQUIS Leçon 6.2 : Critères généraux de la stabilité élastique Leçons 6.6.1 & 6.6.2 : Flambement des éléments réels de structure Leçon 8.1 : Introduction au comportement et au dimensionnement des plaques LEÇONS CONNEXES Leçon 2.4 : Nuances et qualités des aciers Leçon 4A.3 : Pratique de la protection anticorrosion des bâtiments Leçon 14.1.1 : Bâtiments à niveau unique : introduction et structure principale RESUME La leçon introduit les sections et les éléments à parois minces ; elle discute les méthodes de fabrication et les applications de ces éléments et montre en quoi ces éléments offrent des avantages par rapport à la construction métallique plus conventionnelle. Les méthodes de dimensionnement généralement utilisées sont expliquées et des avis sont donnés, basés sur des considérations pratiques. Page 2 1. INTRODUCTION AU DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS FORMES A FROID Antérieurement, l'utilisation des éléments minces formés à froid était surtout restreinte aux produits pour lesquels le gain de coût était de première importance, par exemple dans les industries aéronautique, ferroviaire et mécanique. Les éléments de section simple formés à froid (de section semblable aux profilés laminés à chaud), de même que des panneaux profilés, ont aussi été utilisés dans la construction comme éléments non structuraux depuis environ 100 ans. Un travail de recherche systématique, mené sur les quatre dernières dizaines d'années, de même qu'une technologie de fabrication améliorée, la protection contre la corrosion, l'augmentation de la résistance des aciers et la mise à disposition de codes pour le dimensionnement, ont conduit à un usage plus large des sections formées à froid dans la construction. Dans beaucoup de pays, les éléments formés à froid représentent le secteur qui se développe le plus dans le domaine de la construction métallique. 1.1 Produits types et utilisations Les éléments formés à froid sont des éléments prismatiques constitués d'une succession de parois planes d'épaisseur constante et de plis, prévus pour remplir une fonction structurale d'élément d'ossature ou aussi parfois une fonction de couverture (voir les figures 1, 2 et 3). Une caractéristique des sections formées à froid est la présence, dans les parois soumises à compression, de plis faisant fonction de raidisseurs (raidisseurs de bord ou en pleine paroi plane) ; ceux-ci ont pour but de retarder ou d'éviter un voilement prématuré des parois concernées. Ce phénomène est discuté au § 2. 1.2 Applications Les types de produits disponibles pour une utilisation dans la construction des structures sont :  les éléments de type barre, utilisés comme poutres, principalement dans des épaisseurs relativement importantes, pour des charges relativement faibles et des petites portées ou comme poteaux et supports verticaux ou encore dans des treillis ;  les éléments plans, d'épaisseur relativement réduite, comme éléments porteurs, utilisés en couverture d'un espace - par exemple comme planchers, toitures ou murs - lorsque les charges à supporter restent raisonnables. Page 3 Les éléments minces formés à froid sont donc principalement utilisés dans la construction de bâtiments de faible hauteur, de portée modeste, lorsque la combinaison de tels profils et panneaux présente le plus grand avantage. La résistance par effet diaphragme des panneaux profilés peut aussi avoir des applications dans le champ des structures spatiales telles que les coques en paraboloïde hyperbolique. 1.3 Avantages L'utilisation des éléments formés à froid offre de nombreux avantages par rapport à la construction plus traditionnelle :  la forme de la section peut être optimisée pour utiliser au mieux le matériau ;  le champ d'innovation est plus large (cela a été largement démontré dans la pratique) ;  Les éléments d'ossature, formés à froid, combinés avec les panneaux formés de même, offrent des solutions économiques et fiables qui assurent en même temps une fonction de couverture et une fonction de stabilité vis-à-vis des éléments sous-jacents. Les bâtiments construits à partir d'éléments formés à froid et de bardage - appelés de ce fait bâtiments en construction métallique légère - sont un exemple de la combinaison de ces deux effets (figure 4). En conséquence, ces avantages peuvent être considérés comme conduisant à des réduction de poids, par optimisation des produits eu égard à la fonction de résistance, aux exigences de la construction et à la performance en termes de capacité à couvrir un espace. 1.4 Fabrication Les éléments formés à froid peuvent être fabriqués soit par pliage simple (figure 5), par pliage à la presse (figure 6) ou par profilage en continu (figure 7). Pour de petites quantités d'éléments avec des longueurs inférieures à 6 mètres (12 mètres dans des cas exceptionnels), il est en principe avantageux d'utiliser le pliage à la plieuse ou à la presse. L'effort requis pour assurer le pliage dépend de l'épaisseur du matériau mis en œuvre, de la ductilité du métal et de la forme de la section, cette dernière étant limitée par la largeur de la bande d'acier utilisée. Ces procédés de fabrication permettent d'optimiser la forme des sections en fonction des charges qu'elles devront supporter et selon leur utilisation. 1.5 Matériaux Le type d'acier utilisé doit être adéquat pour le formage à froid, et, si nécessaire, pour la galvanisation. Pour les sections formées à froid et les panneaux, il est préférable Page 4 d'utiliser de l'acier laminé à froid et galvanisé en continu, avec une limite d’élasticité comprise entre 280 et 350 MPa, un allongement à la rupture de 10 % au moins, mesuré sur éprouvette de 12,5 mm de large et une base de mesure de 80 mm et un rapport contrainte de rupture à limite d’élasticité de 1,1 au moins. Pour des conditions habituelles d'utilisation, une protection de zinc Z 275, correspondant à 275 gr/m², est suffisante. Pour des environnements plus agressifs une protection améliorée, par un revêtement adéquat, peut s'avérer nécessaire. La galvanisation au zinc appliquée en continu est généralement limitée aux bandes d'acier d'épaisseur inférieure à 3,5 mm. Pour des épaisseurs supérieures, on peut recourir à la galvanisation à chaud par bain et à l'application sur site de protections adéquates (peintures, etc.). 1.6 Effets de formage à froid Les techniques de formage à froid permettent une variété quasi infinie de la forme des sections des éléments. Il est dès lors possible d'influencer la capacité d'un élément, en termes de résistance, de rigidité et de mode de ruine, par exemple en introduisant - à la fabrication - des raidisseurs intermédiaires dans la section ou par l'utilisation de rapports adéquats largeur-épaisseur des parois de la section. Le formage à froid de l'acier produisant inévitablement un écrouissage, la limite d’élasticité, la résistance et la ductilité seront modifiées localement, dans une mesure qui dépend des rayons de pliage, de l'épaisseur de la bande d'acier, du type d'acier et du processus de formage. La limite d’élasticité moyenne de l'acier sur l'ensemble de la section, dépend donc du nombre de plis réalisés, vis-à-vis de la largeur des parties planes de cette section. L'effet du formage à froid est illustré à la figure 8. La limite d’élasticité moyenne après formage peut être estimée par des formulations mathématiques données dans les codes appropriés. Dans l'exemple de la figure 8, la limite d’élasticité moyenne est augmentée de 5 % après formage et la limite d’élasticité des coins est augmentée - localement donc - de 40 %. Lors de l'opération de formage, les forces internes naissant de ce formage peuvent être responsables de l'apparition de contraintes résiduelles qui peuvent modifier de manière sensible la résistance de l'élément. Des effets favorables peuvent même être observés si, par exemple, des contraintes résiduelles de traction ont été produites dans des parois planes soumises à compression et donc sujettes au risque de voilement local. 1.7 Assemblages Le développement de la construction métallique légère requiert la disponibilité de techniques d'assemblage adéquates ; les éléments d'assemblage sont les boulons à écrou, les rivets aveugles, les vis autotaraudeuses ou autoforantes et les clous posés au pistolet (figure 9) ; le soudage par point et le collage sont aussi des techniques possibles. Pour utiliser ces éléments d'assemblage il est nécessaire de se familiariser avec le comportement des assemblages et d'en connaître les critères de fonctionnement, de Page 5 résistance et de stabilité. Des investigations expérimentales et théoriques intelligentes sont la base de l'évaluation analytique de la résistance des éléments d'assemblage sous chargement statique ou dynamique. La figure 10 montre des champs d'application et les modes de ruine correspondants. De manière générale, les modes de rupture brutaux devraient être évités. Les surcharges locales se révèlent par des déformations importantes et elles devraient être réduites par un report vers des éléments d'assemblage voisins. 1.8 Codes Des recherches intensives et le développement des produits, ont conduit, dans de nombreux pays, à la parution de spécifications pour le dimensionnement des éléments formés à froid et des structures composées de ces éléments. Les Recommandations Européennes pour les éléments formés à froid ont été développées par la Convention Européenne uploads/Ingenierie_Lourd/ esdep-construction-en-elements-minces.pdf