Structures métalliques - Ouvrages simples
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Description



"Outil complet au service des artisans, ce livre s'affirme plus que jamais comme la référence des bureaux d'études, des constructeurs et des enseignants" (extrait de l'avant-propos)

Gilbert Olivier, président de l'Union nationale artisanale serrurerie-métallerie de la Capeb




En un volume maniable, clairement présenté et très illustré, tout le savoir technique nécessaire à la construction métallique est exposé à l'appui de nombreux schémas et de tableaux à lecture directe.



Trois organismes majeurs de la construction métallique - l'UNA serrurerie-métallerie de la Capeb, le CTICM et ConstruirAcier - se sont associés pour mettre au point cet outil de prédimensionnement des structures métalliques simples. Livre pratique réunissant de façon lisible toutes les normes de base, c'est aussi un manuel de référence pour la profession.



Publics




  • Professionnels de la construction


  • Stagiaires de la formation continue


  • Enseignants et étudiants des filières bâtiment




  • Les unités de mesure


  • Le matériau acier (définition, normes, caractéristiques)


  • Les produits


  • Les actions (charges, neige, vent)


  • Concevoir une ossature


  • Principes de calcul


  • Etats limites de service : déformations


  • Etats limites de service : résistance des barres


  • Composants et systèmes structurels


  • Assemblages


  • Exemples de justification


  • Protection


  • Annexes (Flexion et compression, lexique, bibliographie, adresses)

Sujets

Informations

Publié par
Date de parution 24 janvier 2013
Nombre de lectures 211
EAN13 9782212194005
Langue Français
Poids de l'ouvrage 8 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,0187€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Exrait


Gilbert Olivier, président de l'Union nationale artisanale serrurerie-métallerie de la Capeb




En un volume maniable, clairement présenté et très illustré, tout le savoir technique nécessaire à la construction métallique est exposé à l'appui de nombreux schémas et de tableaux à lecture directe.



Trois organismes majeurs de la construction métallique - l'UNA serrurerie-métallerie de la Capeb, le CTICM et ConstruirAcier - se sont associés pour mettre au point cet outil de prédimensionnement des structures métalliques simples. Livre pratique réunissant de façon lisible toutes les normes de base, c'est aussi un manuel de référence pour la profession.



Publics




  • Professionnels de la construction


  • Stagiaires de la formation continue


  • Enseignants et étudiants des filières bâtiment




  • Les unités de mesure


  • Le matériau acier (définition, normes, caractéristiques)


  • Les produits


  • Les actions (charges, neige, vent)


  • Concevoir une ossature


  • Principes de calcul


  • Etats limites de service : déformations


  • Etats limites de service : résistance des barres


  • Composants et systèmes structurels


  • Assemblages


  • Exemples de justification


  • Protection


  • Annexes (Flexion et compression, lexique, bibliographie, adresses)

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C4 Structures métalliques
Ouvrages simples
Guide technique et de calcul d’éléments structurels en acier
« Outil complet au service des artisans, ce livre s’affirme plus que jamais comme la référence des bureaux d’études, des constructeurs et de enseignants » (extrait de l’avant-propos)
Gilbert Olivier, président de l’Union nationale artisanale serrurerie-métallerie de la Capeb
En un volume maniable, clairement présenté et très illustré, tout le savoir technique nécessaire à la construction métallique est exposé à l’appui de nombreux schémas et de tableaux à lecture directe.
Trois organismes majeurs de la construction métallique — l’UNA serrurerie-métallerie de la Capeb , le CTICM et ConstruirAcier — se sont associés pour mettre au point cet outil de prédimensionnement des structures métalliques simples . Livre pratique réunissant de façon lisible toutes les normes de base, c’est aussi un manuel de référence pour la profession.
Sommaire Les unités de mesure • Le matériau acier (définition, normes, caractéristiques) • Les produits • Les actions (charges, neige, vent) • Concevoir une ossature • Principes de calcul • États limites de service : déformations • États limites de service : résistance des barres • Composants et systèmes structurels • Assemblages • Exemples de justification • Protection • Annexes (Flexion et compression, lexique, bibliographie, adresses)
Publics Professionnels de la construction Stagiaires de la formation continue Enseignants et étudiants des filières bâtiment
II Chez le même éditeur (extrait du catalogue)
Marc Landowski Bertrand Lemoine, Concevoir et construire en acier , collection « Les essentiels acier », coédition ConstruirAcier, 2012, 112 p.
Collectif, Lexique de construction métallique , nouvelle édition revue et mise à jour par Jean-Pierre Muzeau, collection « Les essentiels acier », coédition ConstruirAcier, 2013, 352 p.
Carol Maillard, Les enveloppes en acier du bâtiment : façades et toitures , coédition ContruirAcier, 2013, 288 p.
Collectif de l’APK sous la direction de Jean-Pierre Muzeau, Manuel de construction métallique , collection « Eurocode », coédition Afnor, 2012, 320 p.
Jean-Pierre Gousset, Dessin technique et lecture de plan : principes et exercices , 2 e éd., 2013, 288 p.
Jean-Claude Guichard, La soudure à l’arc électrique, des principes aux applications , 3 e éd., 2012, 128 p.
Jean-Claude Doubrère, Résistance des matériaux. Cours et exercices résolus , 12 e éd., 2013, 176 p.
Christian Lemaitre, Les propriétés physico-chimiques des matériaux de construction , 2012, 144 p. — Mise en œuvre et emploi des matériaux de construction , 2012, 288 p.
Léonard Hamburger, Maître d’œuvre bâtiment. Guide pratique, technique et juridique , 2012, 384 p.
Jean-Paul Roy Jean-Luc Blin-Lacroix, Le dictionnaire professionnel du BTP , 3 e éd., 2011, 828 p.
et des centaines d’autres titres en BTP, génie civil et architecture sur:
www.editions-eyrolles.com
III Structures métalliques
Ouvrages simples
Guide technique et de calcul d’éléments structurels en acier
IV ÉDITIONS EYROLLES 61, boulevard Saint-Germain 75240 Paris cedex 05 www.editions-eyrolles.com
Attention : la version originale de cet ebook est en couleur, lire ce livre numérique sur un support de lecture noir et blanc peut en réduire la pertinence et la compréhension.
© 2013, Groupe Eyrolles, ISBN : 978-2-212-13660-9
1 AVANT-PROPOS
L es Eurocodes sont désormais incontournables dans le paysage réglementaire en France comme en Europe pour la conception des structures de bâtiments et ouvrages de Génie Civil. Structures métalliques. Ouvrages simples s’affirme plus que jamais comme l’outil de référence des bureaux d’études et des constructeurs comme des enseignants. Fruit d’une collaboration étroite entre l’UNA serrurerie-métallerie de la Capeb, le Centre technique industriel de la construction métallique (CTICM) et ConstruirAcier, cette troisième édition reste fidèle aux principes qui ont guidé les concepteurs de ce livre : une approche pragmatique mise en forme de façon lisible et attrayante.
L’Union nationale artisanale serrurerie-métallerie est particulièrement fière de mettre au service des artisans un outil complet et didactique, reflet des spécificités et des capacités de la profession.
À ce titre, je tiens à remercier les conseillers, collaborateurs et partenaires qui ont permis de finaliser ce livre.
Gilbert Olivier
Président de l’UNA serrurerie-métallerie de la Capeb
2 SOMMAIRE Les unités p. 3 Le matériau acier p. 4 Définition p. 4 Désignation d’un acier normalisé p. 5 Valeurs caractéristiques de calcul p. 6 Les produits p. 7 Choix des profils p. 7 Caractéristiques géométriques et statiques des profils p. 8 Les actions p. 10 Les charges permanentes p. 10 Les charges d’exploitation p. 12 La neige p. 13 Le vent p. 14 Concevoir une ossature p. 16 Le système porteur p. 16 L’ossature formée de plans p. 16 Le cheminement des charges p. 17 Structure principale de résistance p. 20 Les contreventements p. 23 Principes de calcul p. 25 Normes p. 25 Bases de calcul p. 25 Actions p. 27 Combinaisons d’actions p. 28 Résistance de calcul p. 29 Analyse globale p. 29 États limites de service (ELS) : déformations p. 31 États limites ultimes (ELU) : résistance des barres p. 32 Traction p. 32 Flexion p. 34 Compression simple p. 38 Résistance des barres au flambement p. 38 Compression avec flexion p. 44 Torsion p. 44 Composants et systèmes structurels p. 45 Composants structurels p. 45 Systèmes structurels p. 48 Les assemblages p. 53 Principes p. 53 Les boulons p. 54 Transmission des efforts p. 57 Les pannes p. 62 Assemblages poutre / poutre p. 63 Liaisons traverse / poteau p. 63 Liaisons poteaux en acier / supports en béton p. 64 Les scellements p. 68 Exemples de justification p. 69 La protection p. 74 Protection contre la corrosion p. 74 Protection contre l’incendie p. 77 Annexes p. 78 Tableaux de capacités en flexion et en compression p. 79 Lexique p. 92 Bibliographie p. 95 Adresses p. 96
3 LES UNITÉS
Les unités du système de mesure et leurs symboles, obligatoires en France, sont définis par décrets publiés au Journal officiel. En ce qui concerne les unités de force et de contrainte, voici quelques précisions.
LES UNITÉS DE FORCE
L’unité est le newton, symbole : N.
Comme c’est une valeur petite, on utilise souvent le décanewton (daN) et le kilonewton (kN). 1 daN = 10 N, à peu près égal à 1 kilogramme-force des anciennes unités utilisées : (1 Kgf = 9,81 N d’où 1 daN = 1,02 Kgf). 1 kN = 1 000 N.
LES UNITÉS DE CONTRAINTE
L’unité est le pascal, symbole : Pa.
C’est la contrainte due à la force de 1 newton agissant sur une surface de 1 mètre carré. Cette unité est très petite, c’est pourquoi on utilise le plus souvent en construction le mégapascal dont le symbole est : MPa. 1 MPa = 1 000 000 Pa = 1 N/mm 2
De fait, actuellement, on utilise plutôt le rapport N/mm 2 ou daN/mm 2 , probablement parce qu’il est plus conforme à nos habitudes de considérer la contrainte comme l’expression d’une force divisée par une section.
4 LE MATÉRIAU ACIER
Il n’existe pas un acier mais des aciers. Ils diffèrent notamment par leur composition chimique et par les différents traitements qu’ils subissent lors de leur fabrication (traitements thermiques par exemple) . Ces aciers présentent des caractéristiques particulières qui les rendent aptes à des utilisations et à des modalités de mise en œuvre très diverses .
Définition
Les aciers utilisés en construction métallique sont définis depuis mars 2005 par différentes normes européennes. Elles constituent les six parties de la norme NF EN 10025 :
NF EN 10025-1 (mars 2005) IdC A 35-501-1 : Produits laminés à chaud en aciers de construction – Partie 1 : conditions techniques générales de livraison ;
NF EN 10025-2 (mars 2005) IdC A 35-501-2 : Produits laminés à chaud en aciers de construction – Partie 2 : conditions techniques de livraison pour les aciers de construction non alliés ;
NF EN 10025-3 (mars 2005) IdC A 35-501-3 : Produits laminés à chaud en aciers de construction – Partie 3 : conditions techniques de livraison pour les aciers de construction soudables à grains fins à l’état normalisé/laminage normalisé ;
NF EN 10025-4 (mars 2005) IdC A 35-501-4 : Produits laminés à chaud en aciers de construction – Partie 4 : conditions techniques de livraison pour les aciers de construction soudables à grains fins obtenus par laminage thermomécanique ;
NF EN 10025-5 (mars 2005) IdC A 35-501-5 : Produits laminés à chaud en aciers de construction – Partie 5 : conditions techniques de livraison pour les aciers de construction à résistance améliorée à la corrosion atmosphérique ;
NF EN 10025-6+A1 (juillet 2009) IdC A 35-501-6 : Produits laminés à chaud en aciers de construction – Partie 6 : conditions techniques de livraison pour produits plats des aciers à haute limite d’élasticité à l’état trempé et revenu.
Ces normes définissent différents aciers, caractérisés par : 1. leur composition chimique (inclut le carbon equivalent value ou CEV pour la soudabilité); 2. leurs caractéristiques mécaniques ; 3. leurs caractéristiques technologiques (soudabilité, pliage, ...).
Des différentes caractéristiques définies dans les normes, celles qui nous intéressent le plus sont :
R m : la résistance limite à la traction exprimée en MPa (notée « f u » dans les Eurocodes) ;
R e : limite d’élasticité minimale exprimée en MPa (notée « f y » dans les Eurocodes) ;
A : allongement après rupture en %. Ces trois valeurs caractérisent la nuance de l’acier.


Fig. 1 : Courbe de traction
5 ESSAI DE TRACTION
Ces caractéristiques sont déterminées par l’essai de traction. Pour réaliser cet essai, on utilise une éprouvette de traction normalisée. Cette éprouvette est montée sur une machine de traction et déformée à vitesse constante. Pendant l’essai, on mesure l’effort de traction et l’allongement de l’éprouvette ( fig. 1 ).
ESSAI DE RÉSILIENCE
Une autre caractéristique est indiquée dans la norme : la mesure de fragilisation de l’acier suivant la température. L’essai de résilience mesure l’énergie nécessaire pour casser une éprouvette dans laquelle on a fait une entaille ( fig. 2 ).
L’essai de résilience (flexion par choc) consiste à rompre d’un seul coup de pendule, une éprouvette Charpy entaillée en son milieu. Le marteau du pendule, lâché d’une hauteur h 1 frappe l’éprouvette, la rompt et remonte jusqu’à une hauteur h 2. La différence de hauteur h = h 1 – h 2 traduit l’énergie dépensée pour rompre l’éprouvette. Cet essai est réalisé aux températures suivantes : 20 °C, 0 °C, – 20 °C, etc. Il définit les qualités des aciers.
L’utilisation principale des essais de résilience est l’évaluation de la résistance à la rupture fragile des aciers à basse température.


Fig. 2 : Essai de résilience
Désignation d’un acier normalisé
La norme NF EN 10027 définit deux systèmes européens de désignation des aciers : – une désignation symbolique; – une désignation numérique qui constitue une désignation simplifiée.
DÉSIGNATION SYMBOLIQUE
Pour les aciers de construction, le premier symbole est la lettre « S ». Le nombre de trois chiffres qui suit la lettre S indique la valeur minimale spécifiée de la limite d’élasticité (en MPa) pour la gamme d’épaisseur la plus faible : S235, par exemple. Ce nombre peut être suivi de symboles additionnels.

LISTE DES SYMBOLES ADDITIONNELS
dans la norme NF EN 10025-2 (aciers d’usage courant en construction métallique)

essai de résilience : J min. KV = 27 J K min. KV = 40 J R température essai = 20 °C O température essai = 0 °C 2 température essai = – 20 °C
aptitude au formage à froid : C
état de livraison : +N laminage normalisant +AR brut de laminage
DÉSIGNATION NUMÉRIQUE
La désignation numérique d’un acier attribue à chaque nuance d’acier un numéro caractéristique. En lisant le nombre de gauche à droite :
le premier chiffre qui est 1 signifie qu’il s’agit d’un acier ;
le deuxième et le troisième chiffres constituent le numéro du groupe acier ;
le quatrième et le cinquième chiffres forment un numéro d’ordre arbitraire attribué à chaque nuance dans le cadre de la norme produit.
6 Valeurs caractéristiques de calcul
VALEURS
Il convient que les valeurs nominales de propriété des matériaux, définies précédemment, soient adoptées comme valeurs caractéristiques dans les calculs. Il est exigé une ductilité minimale permettant l’allongement à la rupture supérieur à 15 %.
Les valeurs constantes quel que soit l’acier sont :
la densité de l’acier : 7,85. Dans le cas des poutrelles, elle peut être arrondie à 8. Cette approximation est très proche de la réalité car la différence entre 7,85 et 8 est à peu près compensée par les arrondis de fabrication (congés) qui existent au raccordement de l’âme aux semelles ;
le module d’élasticité longitudinale : E = 21 000 daN/mm 2 (210 000 MPa) ;
le module de cisaillement : G = 8 000 daN/mm 2 (80 000 MPa) – coefficient de Poisson ν = 0,3 ;
le coefficient de dilatation thermique linéaire ε = 11 × 10 –6 par °C.
Détermination rapide approchée du poids d’une pièce en acier ( fig. 3 ) Section : 200 × 1 + 50 × 1 = 250 cm 2 Volume : 250 × 100 = 25 000 cm 3 ou 25 dm 3 (équivalent à 25 litres d’eau) Poids de la pièce : 25 × 8 = 200 daN
IPE 200 ( fig. 4 ) Section (calculée en cm 2 ) : 2 × 10 × 0,85 + (20 – 2 × 0,85) × 0,56 = 27,25 cm 2 Volume pour 1 mètre de long : 27,25 × 100 = 2 725 cm 3 = 2,725 dm 3 Poids au mètre de l’IPE 200 : 2,725 × 8 = 21,8 daN/m


Fig. 3 : Détermination rapide approchée du poids d’une pièce en acier


Fig. 4 : IPE 200
7 LES PRODUITS
Les produits sont définis dans des normes spécifiques qui précisent les gammes de dimensions usuelles, les tolérances de fabrication, les caractéristiques géométriques et éventuellement les caractéristiques mécaniques si elles sont différentes de celles indiquées dans la norme des aciers de base (NF EN 10025) .
Les produits les plus couramment utilisés sont :
les produits sidérurgiques (I, H, U, L, , plats, etc.) ;
les profils creux pour construction (ronds, carrés, rectangulaires, elliptiques et demi-elliptiques) ;
les profils formés à froid (C, Z, Ω).
En effet, les « profils creux pour construction » et les « profils formés à froid » sont des produits dits de première transformation. Ils sont fabriqués à partir de produits sidérurgiques (bobines) et les différentes opérations de transformation peuvent modifier les caractéristiques des aciers de base.
Choix des profils
Les profils formés à froid et les profils creux pour construction finis à froid (NF EN 10219, août 2006) sont des produits souvent intéressants à utiliser, par exemple pour des ossatures secondaires ou pour les structures de maison individuelle. Cependant, différentes raisons (en particulier leur faible épaisseur) font que leur mise en œuvre demande quelques précautions et une bonne maîtrise de leurs possibilités techniques.
Aussi, dans ce guide, nous mettrons en avant les produits finis à chaud et les profils creux.
Dans le cas particulier des profils creux, nous attirons l’attention des utilisateurs sur la nécessité de choisir ces produits dans les normes correspondantes NF EN 10210 (juillet 2006). En effet, il existe d’autres profils creux bien connus des métalliers : les tubes dits « serruriers » conformes aux normes NF EN 10305 parties 3 et 5 (mai 2003). Ces tubes qui ont en général une épaisseur inférieure ou égale à 2 mm n’ont aucune des caractéristiques demandées par les règles de construction – pas de garantie de limite d’élasticité, allongement (A %) au plus égal à 9% (l’Eurocode 3 exige 15 %) – et sont donc inaptes à la construction métallique.
Majoritairement, les utilisateurs sélectionneront des produits de la NF EN 10219 pour des questions d’économie et de disponibilité.
8 Caractéristiques géométriques et statiques des profils
Les différents catalogues de ConstruirAcier, des fabricants et des négociants proposent toujours des tableaux qui associent à chaque profil leurs caractéristiques géométriques. Nous insistons sur le terme géométrique, car il s’agit bien de caractéristiques qui sont liées uniquement aux dimensions extérieures et à la géométrie du profil. Un tube rond en aluminium aura la même section, le même moment d’inertie, le même rayon de giration qu’un tube rond en acier de même diamètre et de même épaisseur.
En revanche, la résistance du tube en aluminium sera différente de celle du tube en acier du fait des caractéristiques mécaniques (f u , f y ) du matériau qui compose chacun de ces deux tubes. Les caractéristiques géométriques sont nécessaires pour calculer la résistance des profils aux différentes sollicitations auxquelles ils sont soumis (traction, flexion, compression, etc.).
Les valeurs de I, W et i rendent compte de la disposition de la matière par rapport à un axe passant par le centre de gravité du profil.
Elles dépendent principalement de l’éloignement de cette matière par rapport à l’axe considéré ( fig. 5 ). Suivant l’axe choisi, les valeurs de I, W et i seront différentes. C’est pourquoi, par exemple dans le tableau de caractéristiques géométriques des poutrelles (cf. p. 90 - 91 ), les valeurs de I, W et i sont calculées par rapport à l’axe parallèle aux semelles (axe Y-Y) et l’axe parallèle à l’âme (axe Z-Z). Ces deux axes Z-Z et Y-Y sont appelés axes principaux d’inertie. Les valeurs de I t et C dépendent également de la répartition de la matière, par rapport aux axes principaux d’inertie. Tableau 1 RELATION ENTRE CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉTRIQUES ET MODES DE SOLLICITATION Symbole Désignation exacte Unité usuelle Relation avec le mode de sollicitation A Aire de la section cm 2 Traction - Compression simple I Moment d’inertie de flexion cm 4 Flexion - Calcul de la déformation (flèche) W el Module d’inertie de flexion élastique cm 3 Flexion - Calcul de la résistance (élastique) W pl Module d’inertie de flexion plastique cm 3 Flexion - Calcul de la résistance (plastique) I t Moment d’inertie de torsion cm 4 Torsion - Calcul de la déformation C Constante de torsion cm 3 Torsion - Calcul de la résistance i Rayon de giration cm Compression avec flambement


Fig. 5

9
10 LES ACTIONS
Ce chapitre présente un certain nombre d’informations sur les principales natures d’action auxquelles sont soumis les ouvrages. On distingue les charges permanentes des surcharges d’exploitation et des surcharges climatiques (neige et vent). Le séisme constitue une action accidentelle qui n’est pas abordée ici .
Les charges permanentes
Les charges permanentes sont précisées dans la norme européenne NF EN 1991-1-1 (mars 2003). Elles sont présentées sous la forme de tableaux de valeurs nominales des poids volumiques des matériaux de construction et des matériaux stockés. Pour les principaux matériaux de construction, en voici les valeurs : Tableau 3 MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION – BÉTON/MORTIER Matériaux Poids volumique ϒ [kN/m 3 ] Béton (voir EN 206) Béton léger classe de masse volumique LC 1,0 9,0 à 10,0 a b classe de masse volumique LC 1,2 10,0 à 12,0 a b classe de masse volumique LC 1,4 12,0 à 14,0 a b classe de masse volumique LC 1,6 14,0 à 16,0 a b classe de masse volumique LC 1,8 16,0 à 18,0 a b classe de masse volumique LC 2,0 18,0 à 20,0 a b béton de poids normal 24,0 a b béton lourd a b Mortier mortier de ciment 19,0 à 23,0 mortier de plâtre 12,0 à 18,0 mortier de chaux et de ciment 18,0 à 20,0 mortier de chaux 12,0 à 18,0

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