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Module SST6 Structures métalliques Partie I Les aciers et les produits sidérurg

Module SST6 Structures métalliques Partie I Les aciers et les produits sidérurgiques Les poutres et poteaux métalliques IUT du Limousin Semestre 2 Département Génie Civil 2015 / 2016 Emmanuel MARIEZ Elie BASTIEN Fazia FOUCHAL Sommaire de la partie I 1 Les aciers courants de construction, matériaux industriels ....................................................... 1 1.1 Structure interne : atouts et points faibles des aciers............................................................. 1 1.2 Caractéristiques mécaniques ................................................................................................. 2 2 Les produits sidérurgiques ........................................................................................................ 4 2.1 Les produits courants............................................................................................................. 4 2.2 Les produits dérivés pour la construction.............................................................................. 6 1.1.1 Les profilés pliés ............................................................................................................ 6 2.2.1 Les poutrelles ajourées ................................................................................................... 6 2.2.2 Les P.R.S. ....................................................................................................................... 6 3 Typologie des ouvrages métalliques ......................................................................................... 7 3.1 Les bâtiments et les couvertures spéciales ............................................................................ 7 3.2 Les ponts................................................................................................................................ 7 3.3 Les structures verticales élancées .......................................................................................... 8 3.4 Les ouvrages de stockage de matériaux fluides ou pulvérulents ........................................... 8 3.5 Conclusions ........................................................................................................................... 8 4 Charpentes métalliques ............................................................................................................. 9 5 Réglementation pour la conception : l’Eurocode 3 ................................................................. 11 6 Classification des sections droites des barres ......................................................................... 13 6.1 Ductilité plastique des aciers de construction ..................................................................... 13 6.2 Définition des classes de section ......................................................................................... 14 7 Vérifications aux ELU ............................................................................................................ 19 7.1 Résistance des éléments à l’effort axial de compression..................................................... 19 7.1.1 Flambement expérimental ............................................................................................ 19 7.1.2 Longueur de flambement de calcul et réalité ............................................................... 19 7.1.3 Limite du modèle élastique déterministe d’Euler ........................................................ 21 7.1.4 Courbes de flambement de l’EC3 ................................................................................ 24 7.2 Résistance des sections transversales à l’effort axial de traction ........................................ 26 7.3 Résistance des sections transversales en flexion pure ......................................................... 27 7.4 Résistance des sections transversales à l’effort tranchant ................................................... 28 7.4.1 Résistance à l’effort tranchant seul .............................................................................. 28 7.4.2 Résistance à l’effort tranchant avec présence de moment de flexion .......................... 28 7.4.3 Résistance des sections transversales à la flexion bi-axiale avec effort normal ......... 29 8 Vérifications des éléments structuraux aux ELS .................................................................... 29 9 Poutres à treillis ....................................................................................................................... 31 9.1 Forme................................................................................................................................... 31 9.2 Dimensions .......................................................................................................................... 31 9.3 Calcul des efforts ................................................................................................................. 31 9.4 Dimensionnement des barres............................................................................................... 32 9.4.1 Résistance des barres à la traction ............................................................................... 32 9.4.2 Résistance des barres à la compression ....................................................................... 32 9.5 Longueur de flambement des barres ................................................................................... 32 9.6 Calcul des déformation Déformations ................................................................................ 33 9.7 Calucl des efforts secondaires ............................................................................................. 34 9.7.1 Défaut de convergence des axes des barres ................................................................. 34 9.7.2 Efforts secondaires dus aux déformations ................................................................... 34 9.7.3 Conséquence sur les dispositions constructives ........................................................... 34 SST6 – Construction Métallique 1 IUT GC-CD Egletons Les aciers courants de construction, matériaux industriels Structure interne : atouts et points faibles des aciers. La structure des matériaux métalliques à été étudiée dans le module MX1. Vous connaissez donc les différents éléments constitutifs des aciers et les modes d’obtention de ces matériaux industriels. Les aciers de construction possèdent une structure atomique leur conférant des propriétés particulières avec des conséquences importantes sur leur utilisation en génie civil : 1. Une densité élevée liée à des résistances mécaniques importantes. L’acier possède donc un rendement mécanique élevé en comparaison d’autres matériaux de construction : il permet de concevoir des structures « légères », architecturalement aérées (les surfaces habitables sont maximum), en augmentant les portées franchies et en réduisant les actions verticales sur les systèmes de fondation. D’autres avantages très appréciables peuvent être également retenus : les structures légères sont plus résistantes aux actions sismiques et leur construction nécessite des systèmes de levage moins importants. 2. Matériaux ductiles puisque les aciers de construction peuvent absorber de grandes déformations avant de rompre (figure n°1 ci-contre). Cette propriété observée en TP ST1 est primordiale pour la sécurité structurale d’un pro jet dans les études aux états limites ultimes. Figure 1 : Loi de comportement en traction des aciers S235 et S355 à température ambiante 3. Isotropie : L’acier résiste aux diverses sollicitations mécaniques indépendamment de sa structure atomique interne. 4. Conductivité thermique : les transferts de chaleur s’effectuent rapidement dans les métaux. La première conséquence est que les structures métalliques possèdent une mauvaise capacité d’isolation thermique bien connue ; l’isolation thermique des enveloppes de bâtiment doit donc être effectuée par ajout de matériaux isolant spécifiques comme pour les structures non métalliques. La seconde conséquence, drastique pour la sécurité structurelle, est que le module élastique des aciers diminue fortement lorsque la température du métal augmente (figure n°2 ci-dessous). En effet, la conductibilité thermique étant importante, les aciers captent très rapidement le moindre apport de chaleur tel que celui fourni par un incendie : la ruine de la structure peut donc intervenir très rapidement à cause des déformations excessives induites par la diminution violente du module élastique. L’histoire nous prouve que ce phénomène est le principal défaut des structures métalliques. Les remèdes consistent à limiter d’une part les apports de chaleur accidentels et d’autre part de limiter la vitesse de transfert dans la structure en interposant d’autres matériaux. Figure 2 : Loi de comportement d’un acier S235 à différentes températures 5. La conductivité électrique élevée des aciers est une propriété utilisée dans de nombreuses méthodes de soudage permettant d’effectuer une continuité matérielle fine entre deux pièces. La conductivité électrique peut néanmoins être pénalisante dans le cas de structures équipées d’installations à courants forts : dans ce cas, les résistances mécaniques sous charges SST6 – Construction Métallique 2 IUT - Génie Civil - Egletons cycliques (résistance à la fatigue) peuvent être affectées par la circulation dans la structure de courant parasites. Ce problème affecte également les aciers de précontrainte. 6. Taux de carbone (ou équivalent) : il caractérise la capacité de l’acier à être soudé de façon durable ou non. 7. Corrosions : de part leurs propriétés électro-chimiques, les aciers de constructions sont facilement oxydables. Les structures métalliques peuvent voir leur capacité portante diminuer dans le temps par perte de sections résistantes liée à ce phénomène néfaste. Il est donc nécessaire de prendre ce phénomène en compte, dès la phase de projet d’une construction, en prévoyant une protection ou un sur-dimensionnement des sections soumises aux corrosions. Une autre solution consiste à utiliser des aciers spéciaux tels que les aciers patinables ou inoxydables. Comme toujours en génie civil, l’utilisation optimale d’un matériau de construction demande une grande connaissance de ses diverses propriétés. Lorsque toutes ces propriétés ont été prises en compte, il est possible de choisir la ou les solutions adéquates en fonction du coût. Le choix ne dépend pas uniquement de la structure seule mais aussi de son environnement et des contraintes de mise en œuvre lié à l’entreprise et aux transports. Il est très important de noter que les aciers possèdent une structure bien connue et stable, produite industriellement avec une variabilité très faible comparée à d’autres grands matériaux de construction (béton ou bois). Ce point est d’autant plus important que les méthodes de dimensionnement semi-probabilistes (cf. module ST1) permettent d’affecter les résistances des matériaux structuraux de coefficients partiels de sécurité optimisés : les aciers possèdent actuellement les coefficients les plus faibles. Les économies engendrées lors du dimensionnement sont fort appréciables. Pour finir, pour les aciers de construction l’Eurocode 3 fixe les grandeurs physiques suivantes :  masse volumique :         3 7850 kg.m .  coefficient de dilatation thermique :         1 K 6 12.10  pour T ≤ 100 °C. Caractéristiques mécaniques Une fois que l’acier a été choisi pour construire, la principale propriété qui intéresse le projeteur sont les caractéristiques mécaniques intrinsèques du matériau. L’objectif est de pouvoir déterminer les quantités de matière dans la structure permettant de supporter les différentes sollicitations. Les aciers possèdent une désignation symbolique normalisée (NF EN 10027) basée soit sur les caractéristiques mécaniques ou physiques (groupe 1) soit sur la composition chimique (groupe2). Pour le dimensionnement, la première désignation est plus appropriée : Symboles principaux Symboles additionnels 1 2 3 4 exemple S 355 J2 N 1 S pour acier de construction (Structure), B pour les aciers à béton, etc 2 Valeur nominale de la limite d'élasticité notée en MPa pour la gamme d'épaisseur la plus faible. Cette valeur est appelée nuance de l ‘acier. 3 Energie de rupture minimale en Joules pour une température d'essai de résistance aux chocs définie par un système de lettres et de chiffres déterminés comme suit : Température [°C] 20 0 -20 -30 -40 -50 -60 Energie de rupture (Kv) 27 JR J0 J2 J3 J4 J5 J6 40 KR K0 K2 K3 K4 K5 K6 [J] 60 LR L0 L2 L3 L4 L5 L6 4 Modalité d'obtention de l'acier : M (formage thermomécanique), N (normalisé ou par laminage normalisant) ou Q (trempé et revenu) SST6 – Construction Métallique 3 IUT - Génie Civil - Egletons Les points 3 et 4 représentent la qualité de l’acier. Les caractéristiques, compositions chimiques et conditions générales de livraison, incluant l'état final de livraison des aciers de construction, sont définies par les trois principales normes européennes suivantes : NF EN 10025 « Produits laminés à chaud en aciers de construction non alliés » : cette norme concerne des aciers de limites d'élasticité échelonnées de 235 uploads/Ingenierie_Lourd/ metal.pdf