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3 CM-Cours Généralités sur les structures en charpentes métalliques 1.1 STRUCTU

3 CM-Cours Généralités sur les structures en charpentes métalliques 1.1 STRUCTURE EN CHARPENTE MÉTALLIQUE 1.1.1- Définition Une structure en charpente métallique est un assemblage d'éléments métalliques sous forme de profilés commerciaux ou de profilés reconstitués soudés (PRS), servant à la construction d'une ossature métallique suivant une forme et une utilisation bien déterminé. La figure 1.1 représente les principaux éléments d'une charpente métallique. Fig.1.1 : Terminologie des éléments en Construction Métallique.[1] Les composantes de la charpente de la figure 1.1 sont listées dans le tableau 1.1. Tab 1.1: Terminologie d'une Structure en Charpente Métallique 1 Poteau (HEA ou IPE) 2 Ferme ou traverse (HEA ou IPE) 3 Lisse filante 4 Baionnette 5 Diagonale de versant 6 Panne (IPE ou IPN) 7 Chêneau en tôle pliée 8 Faitière métallique 9 Couvertine métallique 10 Goutière 1/2 ronde 11 Chassis vitrée 12 Bardage métallique à ondes verticales 13 Lisse de bardage 14 Croix de stabilité 15 Potelet de pignon (HEA ou IPE) 16 Jarret Portée Travée 4 CM-Cours Généralités sur les structures en charpentes métalliques 1.1.2-Domaines d'applications Les principales motivations qui nécessitent l'utilisation d'une construction en charpente métallique, sont : − L'utilisation d'un matériaux résistant et ductile tel que l'acier avec ces bonnes propriétés mécaniques, − Facilité d'usage dans le secteur industriel et du BTP dans la construction des squelettes d'ossatures, − Courts délais de réalisation des différents types de structure. Ainsi, les grands domaines d'applications des structures en charpentes métalliques sont très vastes et variés. Ils trouvent leurs mises en œuvre dans la majorité des disciplines suivantes : − Génie Mécanique : Ponts roulants, grues de levage, portiques, etc... (Fig.1.2), Fig.1.2: Photo d'une Grue de levage sur chantier [3] − Génie Electrique : Pylônes de haute tension, de télécommunication, construction des halls pour groupe turboalternateurs ,...etc. (Fig.1.3), Fig.1.3: Photo d'un Pylône de ligne électrique haute tension [4] 5 CM-Cours Généralités sur les structures en charpentes métalliques − Génie Civil : Bâtiments et urbanisation, hangars, usines industriels,...etc. (Fig.1.4), Fig.1.4: Photo d'un Bâtiment industriel de grande hauteur [5] − Génie pétrolier: Derick, les plates formes Offshore, grues portuaires, les grues flottantes, etc... Fig.1.5: Photo d'une plate forme pétrolière [6] 1.2 CLASSIFICATION DES CHARPENTES Les aciers ont les meilleurs caractéristiques mécaniques en matière de résistance et facilité de mise en oeuvre, de ce fait ils offres un choix multiple dans leurs usages. En effet, on peut citer quatre types de structures qui peuvent englobés les besoins d'un point de vue structurale et architecturale. 1.2.1-Charpente en profilés de commerce Dans le commerce, il ya plusieurs profilés standarts qui répondent au choix de formes et de dimensions obtenues après étude et détermination des contraintes selon un cahier de charges préétablit d'avance par le maître de l'ouvrage. On trouve les profilés suivants : − IPE, UAP et HEA : Ils sont utilisés pour la charpente à charges d’exploitation légères, comme pannes sablières...etc (Fig.1.6) 6 CM-Cours Généralités sur les structures en charpentes métalliques Figure 1.6: Profilés du commerce IPE. [7] Figure 1.7: Profilés du commerce UAP. [8] − HEB : Ils sont employés pour les charges lourdes, comme planchers de reprise, poutres de roulement (Fig.1.8). Figure 1.8: Profilés du commerce (HEB) [9] 1.2.2- Charpente en profilés reconstitués soudés [PRS] Les charpentes en PRS constituent des structures légères et très résistantes ayant une architecture bien pensée et des possibilités architecturales innovantes. Les profilés reconstitués soudés (PRS) sont des profilés dont la forme a été conçue de sorte à optimiser ses performances vis-à-vis des sollicitations (Figure 1.9). Les PRS présentent les avantages : − De résistance : optimisation du profilé par rapport aux sollicitations, − Architecturaux : libération d’espace, grande portée possible, plus esthétique que les poutres treillis, − Economiques : gain de masse, diminution du nombre d’assemblage. Par contre en matière d'inconvénients, le recours au PRS entraîne des surcoûts par rapport à une structure classique et cela en : − Etude : le dimensionnement d’une pièce unique en fonction de charges propres est plus long que pour un cas classique, − Fourniture : la fabrication de la pièce étant unique, ce qui fait augmenter le temps de fourniture de la pièce. Ce surcoût peut être très variable selon le type de PRS, − Fabrication : assemblage et usinage parfois complexe. 7 CM-Cours Généralités sur les structures en charpentes métalliques Figure 1.9 : Structure Métallique en PRS [10]. 1.2.3-Charpente en treillis Les treillis sont très largement utilisés en construction des structures en charpente métallique. Ce sont des structures dont les pièces sont assemblées de façon à former des triangles. Ce dernier, a été pris comme base de ces constructions parce qu'il est la seule entité indéformable du point de vue géométrique (Figure 1.10). L’utilisation de treillis a pour objectif de minimiser le poids de la structure et maximiser la rigidité. Ils se retrouvent comme fermes de toitures, ossatures de ponts, de grues, de ponts roulants et de pylônes, ...etc. On fait appel à ce mode de réalisation dans le but essentiel d'alléger l'ensemble d'une construction tout en assurant une plus grande stabilité. Cependant, les structures en treillis entraînent des surcoûts principalement en : − Fourniture : (selon les profilés utilisés pour le treillis), − Fabrication : En atelier les treillis sont soudés, ce qui augmente considérablement le temps de fabrication, − Montage : Profilés pré assemblés, nécessitant souvent plusieurs équipes de montage et moyens de levage. Figure 1.10: Pont en Treillis [11] 8 CM-Cours Généralités sur les structures en charpentes métalliques 1.2.4-Charpente en élements tubulaires Les structures tubulaires sont composées de profilés en rond creux (Figure 1.11). Pour avoir un bon appuis des montants, les poteaux sont munis de raidisseurs. Ce genre de construction est choisis pour des raisons architecturales mais le surcoût de sa réalisation en fourniture, fabrication et montage la rend délicate et onéreuse. Figure 1.11: Structure Tubulaire [12] 1.3 - AVANTAGES ET INCONVENIENTS Une structure en charpente métallique présente les avantages suivants :[2] − La qualité de résistance et de tenacité de l'acier par rapport à son poids rend la structure plus légère même si elle est volumineuse, − L'acier possède une structure interne homogéne et uniforme cela implique constance des propriétés mécaniques dans toute la structure, − L'élasticité de l'acier offre à la structure une bonne tenus aux charges dynamiques, − La possibilité de standarisation des pièces de la charpente métallique vue leurs ressemblances et des changements possibles, − Un large éventail d'application en matière de forme géométrique implique plusieurs choix et desirs architecturaux (besoins d'ésthétiques), − Une meilleure durabilité avec les moyens existant de protection (revêtement, peinture). − La facilité de montage et de démontage de la structure, − La rapidité de la mise en oeuvre, − La récupération et la réutilisation des éléments de la structure apès démontage. Parcontre l'inconvénient majeur est la mauvaise résistance à la corrosion d'une structure en acier y compris leur mauvaise résistance au feu. En plus,de La résonnance élevée qui implique une faible isolation acoustique. Une structure en acier représente, aussi, une faible isolation thermique due aux effets des dilatations non négligeables et à une conductivité thermique élevée . 9 CM-Cours Généralités sur les structures en charpentes métalliques 1.4 - DESCRIPTION DES ELEMENTS D'UNE CHARPENTE METALLIQUE 1.4.1- Les fermes 1.4.1.1- Définition La ferme. est l'élément principal du comble, elle possède une forme triangulaire préfabriquée en profilés, renforcée interieurement par des montants et des diagonales (éléments barres), assemblés dans des points appelés noeuds (Figure 1.12). Ces barres (montants et diagonales) sont sollicités seulement à la traction et/ou à la compression. Dans une charpente métallique, la ferme, est posée sur des murs porteurs, sur des poteaux, ou sur les pannes sablières par l'intermédiaire de goussets. Figure 1.12: Partie gauche d'une ferme triangulaire [13] On trouve deux sortes de fermes : − Fermes classiques : comme la ferme triangulaire, trapézoidal et la ferme à versants brisés (Figure 1.13), Figure 1.13: Ferme à versants brisés [14] 10 CM-Cours Généralités sur les structures en charpentes métalliques − Fermes spéciales : comme la ferme Anglaise, la ferme Belge, la ferme Américaine, la ferme Polonceau et la ferme Shed ...etc.(Figure 1.14) Figure 1.14: Fermes spéciales [15] 1.4.1.2- Critéres de choix d'une ferme Vu l'existance de différents types de fermes, pour sélectionner un type précis, on s'appui sur les critères de choix suivants : − Utilisation ou non du comble ; − Portée de la structure ; − Débort de toiture ; − Pente du toit ; − Poids de la couverture ; − Poids des plafonds. 11 CM-Cours Généralités sur les structures en charpentes métalliques 1.4.2- Les pannes 1.4.2.1 Description Dans une construction en charpente métallique, l'élément panne fait partie de la toiture, il représente le deuxième élément principal du comble après les fermes. La panne se présente comme étant une structure métallique unidimensionnelle, ayant la configuration d'une poutre droite à section constante normalisée. Cette poutre est appuyé sur des traverses(fermes), sa fonction principale est de supporter les charges propres et les charges d'exploitations de la structure. Elles sont destinées à transmettre les charges et surcharges qui s'appliquent sur la couverture (toiture ou plancher), aux appuis (traverses ou uploads/Ingenierie_Lourd/ merged-20200619-143053.pdf