December 2, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
Construction Métallique – ENSA 2017 - HE
Ecole nationale des sciences appliquées de Tétouan ENSA
MODULE GC 18 CONSTRUCTION METALLIQUE Semestre: S4
Février 2017
Hamza El Merrouni
[email protected] [email protected] 1|Page
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SEANCE 2
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Programme : Cours – TD TD - TP
1) Présentation générale du cours: descriptif sommaire de l'ensemble des aspects qui seront abordés. Rappel de la RDM de base 2) Introduction - Produits sidérurgiques – Classifications Nuances d'acier - Conception – Modélisations – Catalogue des profilés métalliques. 3) Actions et combinaison d’actions - Sollicitations - ELS/ELU Classification des sections transversales (1, 2, 3 ,4) 4) Section soumise à la traction - Section soumise à flexion pure - Résistance à la flexion - Résistance à l'effort tranchant 5) Métrés et estimation des coûts d’ouvrages métalliques métalliques 6) Résistance à la compression - Instabilité: Flambement 7) Contrôle à mi parcourt 8) Corrections
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9) Sollicitations combinées: Flexion + Effort tranchant - Flexion + Effort normal - Flexion déviée ou bi-axiale – Flexion déviée composée 10) Notions d'assemblages : Boulonnés 11) Notions d'assemblages : Soudés 12) Instabilité élastique: Déversement 13) Instabilité élastique: Voilement 14) Eléments de base concernant des notions diverses: Flèches et déformations, Fatigue, Résistance au feu, Contreventements. 15) Métrés et comparatif des coûts structure métallique vs structure en béton armé 16) Test Oral 17) Travaux pratiques : Application dans le cadre d’un d’un projet, des prescriptions desréglementaires de l’Eurocode 3 au: dimensionnement bâtiments métalliques (Par exemple hangar industriel). 18) Contrôle final
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Le matériau acier :
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L’acier est constitué essentiellement de fer, et un peu de carbone, qui sont extraits de matières première naturelles (minerai de fer et du charbon). Le pourcentage de carbone dans l’acier est tres faible, il dépasse rarement le 1%. Deux « filières » : Filière fonte : Combustion des minerais de fer + coke (charbon) dans des hauts fourneaux
Fonte liquide (grand pourcentage de carbone ; plus de 2%) Insufflation d’oxygène d’oxygène : convertisseur = décarburer la
fonte. Acier liquide (très faible pourcentage de carbone) Four métallurgique : Ajouts d’autres éléments pour améliorer les propriétés p ropriétés mécaniques de l’acier : Le silicium, le manganèse, le chrome, le nickel, le tungstène, etc. (=> aciers alliés) Laminage Filière électrique : La filière électrique ou ferraille : c’est la filière « recyclage « recyclage », les ferrailles récupérées sont refondues dans des fours électriques. Ensuite, le même processus est suivi (+/-).
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De l’acier liquide à des demi-produits demi-produits :
Laminage à chaud : Sur base des demi-produits => étirer et écraser le métal pour lui donner les formes souhaitées
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Classification des aciers selon leur teneur en carbone :
Système de repérage :
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Sollicitations/axes : Toutes les sollicitations sont données avec en indice, un (des) axe(s) ; le système de repérage est donc indispensable à la bonne compréhension et représentation des efforts/sollicitations. Par conséquent, on distingue : My : Moment Moment autour de l’axe y-y y-y : Flexion suivant l’axe fort fort Mz : Moment Moment autour de l’axe z-z z-z : Flexion suivant l’axe faible faible Mx : Moment Moment autour de l’axe x-x x-x : Torsion Nx : Effort normal axial suivant x-x : Compression/Traction Vz : Effort tangentiel suivant z-z : Effort tranchant axe fort Vy : Effort tangentiel suivant y-y : Effort tranchant axe faible
Une
bonne
partie
des
notations
de
grandeurs
mécaniques/physiques (dans toutes les normes de calcul, Eurocodes inclus) se base ainsi sur ce (des) système (s) de repérage.
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Produits sidérurgique : Les produits sidérurgiques utilisés en construction métallique sont obtenus (pour la plupart) par un laminage à chaud ; leurs dimensions et caractéristiques sont normalisés et répertoriés dans des catalogues (voir plus loin).
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Profilés en double T à ailes étroites = profilés en I :
Moment d’inertie Iz suivant suivant l’axe faible est très faible comparé au moment d’inertie Iy suivant l’axe fort. fort . Leur poids par mètre est relativement faible. Utilisés principalement comme éléments fléchis. On distingue deux séries : Les IPE (série légère) dont les ailes sont d’épaisseur constante constante ; et les IPN (série plus lourde) : faces internes des ailes inclinées.
Profilés en double T à ailes larges = profilés en H :
Moment d’inertie Iz (suivant l’axe faible) faible) est plus élevé que celui des profilés en I. Multiples applications : en flexion simple (M), flexion déviée (gauche) (g auche) : Mz+My ou bien en flexion composée M+N. On distingue 3 séries : Les HEA, HEB et HEM, à hauteur de section égale, les HEA sont les moins lourds et les HEM les plus lourds. Idem pour les inerties : à hauteur de section égale : les HEA ont la plus faible inertie, la HEM la plus grande. Les HEB sont « intermédiaires/entre » les deux.
Profilés angulaires : cornières L et T
Faibles inerties, dans les deux sens ; utilisés en contreventement, traction. Ne résistent pas (ou presque) à la compression (= très sensible au flambement). Il s’agit des éléments les plus légers ( par mètre) ; utilisation limitée. 11 | P a g e
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Profilés creux ou tubulaires
Trois types de sections : Carrée, rectangulaire, circulaire Grande inertie dans les deux sens Utilisation dans tout type de sollicitation Avantage esthétique (architectural)
Profilés reconstitués soudés : PRS
Plusieurs formes « A la demande » Plus chers mais plus adaptés au cas particuliers. Possibilités de section à inertie variable
Autres : La liste est très longue et diversifiée… diversifiée…
Profilés en U, profilés minces formés à froid, produits plats, produits nervurés, barres (rond, carré, etc), palplanches, poutrelles de soutènement, poutrelles ajourées, caissons, bardage,
Les tableaux ci-dessous schématisent les différents types de sections utilisées dans le Génie Civil
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1) Profilés classiques :
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2) Profilés spéciaux (1/2)
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3) Profilés spéciaux (1/2)
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4) Produits plats
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Contraintes résiduelles résultant du laminage : = contraintes au repos, dans les éléments non sollicités ; dues au procédé de fabrication (laminage) : changement brusque de température/ refroidissement différé, etc.
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Traitement thermique : Cycles de refroidissement/réchauffement (selon un gradient déterminé) => modification de la résistance de l’acier (limite élastique, limite de rupture). Protection contre la corrosion : Produits finis en acier livrés à l’état brut. brut. Pour assurer la protection de l’acier contre la corrosion : corrosion : D’abord un traitement de surface : surface : décapage, etc. Puis, appliquer une couche de protection :
Peinture galvanisation
Essais sur l’acier l’acier : Essais destructifs : renseignement sur les qualités mécaniques
Essai de traction : Elasticité, propriétés mécaniques Essai de pliage, Essai de dureté : mesurer le degré de dureté Essai de résilience : mesure l’aptitude d’acier de rompre
par choc (rupture type fragile)
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Essai de fatigue : rupture « prématurée » à des valeurs
inférieures pour sollicitations
cause
de
grande
répétitivité
de
Essais non destructifs : renseignement sur la composition et structure de l’acier, teneur en carbone, détecter les les défauts et cavités, etc. Exemples : macrographie, micrographie, ultra son, rayon X, etc.
Le plus étudié et celui qui concerne le plus l’ingénieur
praticien est l’essai de traction. traction.
Essai de traction : Application sur une éprouvette d’un effort de traction traction progressif, crissant de zéro à la rupture. - Mesurer l’allongement en fonction de l’effort de traction traction - Diagramme effort/déformation
4 phases :
Elastique Palier plastique Ecrouissage Zone de striction
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Les grandeurs mécaniques déduites :
Limite élastique fy (MPa) Contrainte de rupture à la traction fu (MPa) Module de Young (Elasticité longitudinale) :
E = 210 000 MPa
Module de glissement (Elasticité transversale) :
G = 81 000 MPa
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(%) L’allongement à la rupture (%) L’allongement de striction (%) (%) Coefficient de poisson : (-)
Autres paramètres : - Coefficient de dilatation thermique : 1,2. 10^-5/°C A comparer avec celui du béton…. béton…. - Masse volumique : 7850 kg/m3 Ces deux derniers paramètres, sont intrinsèques à l’acier : : tout comme E et G.
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Exemple : Exemple spécifique de diagramme contrainte-déformation pour les nuances d’acier : S235 et S355 - les deux principaux types les plus utilisées dans la construction. (Ancienne appellation : Fe E 235 et Fe E 355) - Même valeur de E. Bien évidement - Déformation à la ru pture plus grande pour l’acier le plus « doux » : S235. (moins de % de carbone)
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Caractéristiques des aciers de constructions : Régies par la Norme européenne EN 10025 EN 10025 définit définit les nuances d’acier en fonction de leurs le urs caractéristiques mécaniques : un acier ayant une valeur nominale de la limite élastique fy = x MPa est appelé acier S x. Acier avec fy = 235 MPa => S235 Elle définit aussi les classes de soudabilité (JO, JR, etc) Domaine d’application : d’application :
Aciers non alliés Laminés à chaud Eléments destinés à la construction Soudé ou non ; produits plats ou longs
Les principales nuances :
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S 235 : Le moins résistant (le moins cher aussi), acier doux. Le plus utilisé ; la nuance à considérer par défaut si pas d’autres précisions. S 275 : Acier utilisé pour profilés creux. S 355 : Acier à haute résistance. S 460 : Le moins utilisé. Le plus résistant parmi les principaux aciers de construction
Les paramètres donnés dans le tableau ci-dessus, ne sont valables que sous certaines conditions : (1) Epaisseur ≤ 16 mm mm (2) Epaisseur ≤ 3 mm mm (3) Epaisseur ≤ 40 mm mm D’une façon plus générale, nous avons les paramètres suivants en fonction des épaisseurs des pièces :
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La différence des valeurs de résistances pour la même nuance d’acier en fonction de l’épaisseur, vient du f ait ait que la structure cristalline du métal subit des modifications lors du laminage : Les pièces plus minces, soumises à plusieurs passes de laminage, ont des résistances plus élevées Dans tous les cas, il s’agit de valeurs caractéristiques garanties (valeurs minimales)
Reserve de sécurité dans la plasticité de l’acier : : Le palier plastique (AA’ dans la figure relative à l’essai de traction) représente une réserve de sécurité dans la construction métallique :
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Si, localement dans une structure, des pièces sont sollicités audelà de leur limite élastique, le palier plastique, leur permet de « se décharger » dans des zones avoisinantes = adaptation plastiques (= redistribution des efforts par plasticité)
Forme de la courbe contrainte-déformation en fonction des nuances d’acier ::
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Plus la teneur en carbone des aciers augmente, plus leur limite élastique fy augmente, plus le palier de ductilité se raccourcit, et plus l’allongement à rupture diminue diminue
La sécurité est inversement proportionnelle au taux de carbone. => une structure correctement dimensionnée avec un S235 est « plus sûre » qu’une structure correctement dimensionnée en S355
C’est pour cette raison que seuls les aciers à faible taux de carbone sont autorisés en construction métallique : Acier doux : autorisé Acier mi-dur : autorisé (dans le cas de forte sollicitation) Acier dur : Presque pas… pas… Acier extra dur : Pas utilisé en construction Acier sauvage : Pas utilisé en construction
Notion de plasticité/sécurité : Si une pièce en acier dur, est sollicitée au-delà de sa limite élastique fy, elle va périr par rupture dite brutale, sans présenter des signes préalable « annonçant » la ruine.
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En revanche, pour les pièces en acier doux, une fois qu’on dépasse la limite élastique fy, de grandes déformations vont apparaitre, ces déformations vont prévenir du danger futur. Outre l’intérêt du report des efforts par plasticité plasticité
Ductilité de l’acier. l’acier.
L’ancienne norme, CM66 ne prenait presque pas en compte ce comportement élasto- plastique plastique de l’acier ; l’Eurocode par contre, permet de tenir compte de cet aspect.
Remarque : Même en utilisant les aciers doux, il restera toujours des cas particuliers, qui présenteront des risque de rupture fragile (= brutale, sans déformations préalables). Exemples : - Assemblages (soudure, boulonnage) - Instabilités élastiques (flambement, voilement)
déversement,
Une attention particulière devra être portée sur ces points hautement critiques.
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Défaut dus au laminage : Les calculs de dimensionnement se basent sur des sections théoriques parfaites ; or, dû au processus de laminage, plusieurs défauts se présentent. On distingue 5 types de défauts : - - - - -
Défauts de dimensions (hauteur, épaisseur, etc.) Défaut d’équerrage (orthogonalité semelle/âme) semelle/âme) Défaut de symétrie Défaut d’incurvation (âme par rapport à la verticale) Défaut de dressage : fibre moyenne incurvée
Influencent sur l’inertie, induisent des moments de torsions
parasitaires, favorisent des phénomènes de voilement, etc. Il existe des limitations claires de ces défauts = tolérances de laminages. Le coefficient 1,35 appliqué sur les charges permanentes peut s’expliquer, entre autre, par cette raison. raison. Un calcul basé sur les tolérances de laminages peut démontrer que ces dernières peuvent conduire à une surestimation de l’inertie de 20% et et donc, à une sous-estimation de 20% des contraintes.
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Types d’ouvrages métalliques, type d’ossatures : d’ossatures : Types d’ossatures : d’ossatures :
Poutrelles laminés standards : IP… HE… HE…
(ine rtie constante ou Profilés reconstitués soudés : PRS (inertie
variable)
Profilés creux Treillis bidimensionnels ou nappes tridimensionnels Etc,
Type d’ouvrages : d’ouvrages : Pratiquement tout ce qui appartient au génie civil : tours, IGH, usines, entrepôts, ponts, immeubles de logements, de bureaux, etc.
Dans le cadre de ce cours, on se focalisera sur des structures de faible hauteur : (usines, entrepôts, hangars, supermarché, etc.) ; constitués de profilés laminés marchands, ou de PRS ; accessoirement de profilés creux. Les autres réalisations réputées marginales, peuvent être traités dans des cours complémentaires ou de spécialisation.
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Réglementation concernant la construction métallique :
Avant 1993 :
- Règles CM 66 (bâtiments) - Titre V du fascicule 61 du cahier des prescriptions communes (ponts et ouvrages d’art) d’art) - Normes NF P. 22410/11/30/31/60/69/70/72 (assemblages) - Additif 80 (introduction des notions de plasticité)
Depuis 1993
Introduction d’une nouvelle nouvelle réglementation européenne qui remplace l’ensemble des textes et règlements divers par un seul code unique : L’EUROCODE 3 3 Adopté par le comité européen de normalisation (CEN) Particularité de chaque pays => DAN
De 1993 à 1996
Période provisoire p rovisoire de 3 ans : coexistence de tou toutes tes les normes antérieures avec la nouvelle : EC3
Depuis 1996
Les normes antérieures « disparaissent », l’EC3 devient norme européenne homologuée (EN). En principe, la seule. 31 | P a g e
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EUROCODE 3 : - Règlement novateur - Règles très détaillées
- Notions de classifications pertinentes (classes de sections) - Diverses alternatives au dimensionnement Par contre, il est mal rédigé, très théorique, peu clair, redondant, rempli de formules complexes et saturés de paramètres peu intuitifs.
Par conséquent, on essaiera dans ce cours d’opter pour une approche plus simple, plus pratique et/ou réaliste en simplifiant les indices et notations superflus.
On veillera à combiner le pragmatisme du praticien avec la rigueur du théoricien ; L’idée est de trouvé « « l’optimum l’optimum » du bon compromis. La bonne « dose » de chacun des deux volets.
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Acier vs Béton :
Principaux avantages : - - - - -
Industrialisation => préfabrication => rapidité Logistique : faible poids => + plus le transport Très grande résistance mécanique : 235 MPa vs 25 MPa Sécurité : adaptation plastique En cas ca s sismique : g grande rande ductilité (formation de ro rotules tules plastiques) ; compression = traction => reprise des inversions des moments
- Plus de possibilité de modifications : transformations d’ouvrage. d’ouvrage. - Architecturalement : beaucoup plus de possibilités (encombrement, sveltesse, etc.) Principaux inconvénients : - Résistance en compression moindre que le béton
- Plus grande susceptibilité aux phénomènes d’instabilités élastiques (du faite de la grande minceur des profilés) - Mauvaise tenue au feu => nécessité de moyens (contre feu) externes supplémentaires - Nécessité d’entretien : d’entretien : contre corrosion
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Généralité : Schéma de principe de principe de base d’étude de structure : structure : Conception/modélisation
1- Isoler la structure = modélisation structurelle : RDM + compréhension du cas à étudier : Sollicitation externes 2- Déterminations des conditions de liaison : RDM + identification claire des appuis (rigidités) 3- Diagrammes des efforts internes : (ou sollicitations internes) : M, V, N, T, ainsi que les sollicitations combinées.
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4- Détermination des contraintes dans les sections. Toutes les sections critiques de tous les éléments. 5- Détermination des déformations/ déplacements des points critiques (poutre sur une poutre, extrémités de portiques, face longeant les joints de dilatations, etc.) 6- Vérification et dimensionnement : RDM, Normes : BAEL, EC2, CM66, EC3, etc. 7- Optimisation éventuelle. 8- Elaboration du dossier « client ». (selon la nature de l’exercice de profession de l’ingénieur) l’ingénieur)
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Catalogues des profilés métalliques :
Catalogue des profilés laminés marchands : dimensions : h, b, tf, tw, etc. et valeurs statiques : I, W, i, Av, etc.
Paramètres :
Quelques exemples : (Consulter les catalogues complets, dans les A Ann nne exes xes à la Séa Sé ance nce 2)
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TD Séance 2 (coté): Dimensionnement des profilés métalliques marchands, en appliquant les règles de la RDM :
laminés
Soit un plancher métallique rectangulaire, de 4 m x 5 m, portant dans le sens court; sur deux poutres métalliques de 5 m. Les deux poutres de 5 m sont encastrées sur 2 poteaux à leur extrémité. (Total : 4 poteaux).
Charge surfacique : 5 kN/m2 Poids propre du panneau : 2 kN/m2
Pour le profilé concerné (en fonction de chaque étudiant), vérifier s’il résiste résiste aux sollicitations engendrées par les charges et surcharges ci-dessus.
A : IPE 160 B : IPN 160 C : HEA 160 D : HEA 220
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