Chapitre 2 - CMM - Bases de Calcul CM Selon EC3 PDF [PDF]

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Département de génie civil

Module de construction métallique & mixte Chapitre II – Bases de calcul des structures métalliques et mixtes visà-vis des états limites selon les règlements EUROCODE 0, 1, 3 & 4 Préparé par : Afif Beji, Ing., M.Sc.A. [email protected]

2018/2019

Plan du cours I.

Introduction;

II. Règles & normes de conception et de dimensionnement des projets de CM; III. Notion de calcul aux états limites; IV. Classification des section selon l’Eurocode 3. 2

I. Introduction Comment mener une étude en charpente métallique?

I.

Collecte de données à partir du CCTP, CCTG (DTU, normes…) ou, le cas échéant, du cahier de charges ainsi que des plans architecturaux. On peut

tirer les données suivantes : - Géométrie de la structure (hauteur libre, flèche, largeur, profondeur,

dimensions des ouvertures, destination de l’ouvrage…); - Type des matériaux (aciers galvanisés, aciers patinables, aciers soudables…);

- Estimation des profilés (APS, devis estimatif…) - Site, emplacement (rapport géotechnique, plan topographique…);

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II. Conception : choix du système de stabilité de la structure (système porteur) : - Structure plan 2D : Définie à partir de plan. Composée généralement de portique + pannes + contreventement (CV) OU poteaux + ferme + pannes + CV; - Structure spatiale 3D : Définie dans l’espace. Composée généralement de portique spatial + pannes + CV OU poteaux + ferme spatiale + pannes + CV; III. Détermination des charges appliquées aux éléments de structure: Actions 1. Actions directes : poids propres des éléments, poids des équipements, 4

couverture; charges d’exploitation (d’entretien); actions climatiques (vent (W), neige (S), poussière (D)); 2. Actions indirectes : effet de variation thermique (trous oblong); gradient thermique; tassement différentiel; action de la précontrainte; IV. Calcul de la structure : 1. - Fixation du schéma (statique / de calcul) des éléments de la structure : Définition des nœuds (liaisons internes) et des appuis (liaisons externes); - Détermination des : Efforts internes (N, M, V, T); Réactions d’appuis (R); 5

Déformations : flèche, rotation, déplacement…; - Détermination des liaisons dans la structure métallique: Dépendamment du type de sol : Articulation → Structure souple; Appui glissant → Structure semi rigide; Encastrement → Structure rigide…; 2. Calcul de la structure dans les combinaisons les plus défavorables : - Calcul statique sous chargement statique : Calcul 1er ordre : structure non déformée : suffisant pour les structures rigides contreventées; - Calcul dynamique sous charges dynamique : Calcul 2nd ordre : structure 6

déformée; - Calcul élastique / plastique; 3. Vérification de : - Résistance : 𝜎𝑛 , 𝜏…; - Instabilités de forme; - Déformations : flèche, rotation, déplacement…; - Assemblages; - Fondations;

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II. Règles & normes de conception et de dimensionnement des projets de CM; ✓ Le programme des Eurocodes Structuraux comprend les normes suivantes, chacune étant en général constituée d'un certain nombre de Parties : — EN 1990, Eurocode 0 : Bases de calcul des structures; — EN 1991, Eurocode 1 : Exigences en matière de sécurité, d’aptitude au service et de durabilité des structures ainsi que les Actions qui les sollicitent; — EN 1992, Eurocode 2 : Calcul des structures en béton; — EN 1993, Eurocode 3 : Calcul des structures en acier; — EN 1994, Eurocode 4 : Calcul des structures mixtes acier-béton; 8

— EN 1995, Eurocode 5 : Calcul des structures en bois; — EN 1996, Eurocode 6 : Calcul des structures en maçonnerie; — EN 1997, Eurocode 7 : Calcul géotechnique; — EN 1998, Eurocode 8 : Calcul des structures pour leur résistance aux séismes; — EN 1999, Eurocode 9 : Conception et dimensionnement des structures en aluminium. ✓ L’Eurocode structural portant sur la conception et le calcul des structures métallique (Eurocode 3) est subdivisé en différentes parties : — EN 1993-1, Calcul des structures en acier — Partie 1 : Règles générales et 9

règles pour les bâtiments; — EN 1993-2, Calcul des structures en acier — Partie 2 : Ponts métalliques; — EN 1993-3, Calcul des structures en acier — Partie 3 : Tours, mâts et cheminées; — EN 1993-4, Calcul des structures en acier — Partie 4 : Silos, réservoirs et canalisations; — EN 1993-5, Calcul des structures en acier — Partie 5 : Pieux et palplanches; — EN 1993-6, Calcul des structures en acier — Partie 6 : Chemins de roulement.. 10

✓ Ce cours est principalement basé sur : Eurocode 3 partie 1 : NF EN 1993-1 : Calcul des structures en acier : Règles générales et règles pour les bâtiments : Cette partie de l’Eurocode 3 regroupe les règles de conception et de calcul à requises pour les bâtiments et les ouvrages de génie civil en acier. Elle définit les exigences de sécurité, d’aptitude au service et de durabilité. La présente norme est destinée à terme à remplacer les règles CM66 (y compris l’additif 80); ✓ Cette première partie de l’Eurocode 3 est subdivisée à son tour à plusieurs sous parties : 11

— EN 1993-1-1, Calcul des structures en acier — Partie 1-1 : Règles générales et règles pour les bâtiments; — EN 1993-1-2, Calcul des structures en acier — Partie 1-2 : Règles générales — Calcul du comportement au feu; — EN 1993-1-3, Calcul des structures en acier — Partie 1-3 : Profilés et plaques formés à froid; — EN 1993-1-4, Calcul des structures en acier — Partie 1-4 : Aciers inoxydables; — EN 1993-1-5, Calcul des structures en acier — Partie 1-5 : Plaques planes chargées dans leur plan; 12

— EN 1993-1-6, Calcul des structures en acier — Partie 1-6 : Coques; — EN 1993-1-7, Calcul des structures en acier — Partie 1-7 : Plaques planes chargées transversalement à leur plan; — EN 1993-1-8, Calcul des structures en acier — Partie 1-8 : Calcul des assemblages; — EN 1993-1-9, Calcul des structures en acier — Partie 1-9 : Fatigue; — EN 1993-1-10, Calcul des structures en acier — Partie 1-10 : Choix des qualités d'acier; — EN 1993-1-11, Calcul des structures en acier — Partie 1-11 : Calcul des structures à câbles, tirants ou autres éléments tendus; 13

— EN 1993-1-12, Calcul des structures en acier — Partie 1-12 : Règles additionnelles pour l'utilisation de l'EN 1993 jusqu'aux nuances d'acier S700. ✓ L'Eurocode 3 est destiné à être utilisé en conjonction avec ces documents : — EN 1990, Bases de calcul des structures; — EN 1991, Actions sur les structures; — EN, ATE et Guides ATE pour les produits de construction concernant les structures en acier; — EN 1090, Exécution des structures en acier et des structures en aluminium; — EN 1992 à EN 1999 lorsque des structures en acier ou des composants en acier sont concernés. 14

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Bases de dimensionnement d’une structure métallique La sécurité structurale de

L’aptitude au service de la

l’ossature (capacité portante,

construction (utilisation des surfaces ou

résistance au feu…)

des volumes, fonctionnement, confort…)

+ prise en compte de L’économie de la construction

Et L’impact sur l’environnement 16

Méthodologie de dimensionnement Dessin de l’ossature principale Définition des action appliquées sur la structure Choix des éléments de l’ossature sur la base d’un prédimensionnement ou de l’expérience Modélisation de la structure, analyse globale et détermination des sollicitations dans les éléments de l’ossature Vérifications diverses des éléments de la structure OUI

Sous ou surdimensionnement NON Conception et vérification des assemblages 17

Notions de calcul aux états limites ✓ Une définition de la sécurité : l’absence du risque; ✓ Un ouvrage en acier doit être conçu et calculé de manière à présenter une

sécurité satisfaisante liée à l’existence et à l’exploitation de cette construction;

✓ En général les risques sont : -

la ruine de l’ouvrage ou de l’un de ses éléments;

-

un comportement anormal susceptible d’affecter la durabilité, l’aspect ou l’utilisation de cet ouvrage; 18

✓ En réalité la notion de sécurité reste liée aux diverses causes d’incertitudes qui peuvent exister, qui sont liées au grand nombre d’imprécisions, d’imperfections et d’erreurs pouvant affecter : * la conception d’une structure, * la fabrication des éléments, * la transformation des pièces, * le montage sur site, * l’exploitation par le maître d’ouvrage, * Etc. 19

✓ L’idée de base du probabilisme est de limiter la probabilité d’atteindre des états indésirables de la structure en acier à une valeur acceptable en tenant compte du caractère aléatoire des paramètres dans le calcul; ✓ En réalité, les lois de probabilité des différentes variables ne sont pas toujours connues; ✓ Les Eurocodes sont basés sur des lois semi probabilistes : ➔ Méthode dite aux états limites;

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Un état limite

est un état particulier, dans lequel une condition requise

d’une construction (ou d’un de ses éléments) est strictement satisfaite et cesserait de l’être en cas de modification défavorable d’une action. États Limites Ultimes (ELU)

Il existe deux types d’états limites à vérifier

* Résistance; Équilibre statique; Stabilité de forme; * Événements climatiques exceptionnels (cyclones…); glissements de terrain; incendie; chocs de véhicules; explosions; séismes…

États Limites de Service (ELS) * Ouverture des fissures; * Compression excessive du béton; * Déformation (flèches excessives…); * Vibrations excessives; * Perte d’étanchéité…

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États Limites Ultimes (ELU) Ils mettent en jeu la sécurité des biens et des personnes. Ils correspondent à l’atteinte du maximum de capacité portante d’une partie ou de tout l’ouvrage:

➢ ÉLU de résistance (ELUR) : Rupture de sections par déformation excessive : dépassement de la capacité maximale de résistance de l’élément;

➢ ÉLU de l’équilibre statique : Perte d’équilibre statique : par exemple la transformation de la structure en un mécanisme, glissement ou renversement

d’un mur de soutènement; ➢ ÉLU de stabilité de forme (ELUSF) : Instabilité de forme : par exemple le

flambement d’un poteau…

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États Limites de Service (ELS) Ils sont liés aux conditions normales d’exploitation et de durabilité :

➢ ÉLS d’ouverture des fissures : ouverture excessive des fissures au-delà des limites prescrites par les normes;

➢ ÉLS de compression du béton : Contraintes excessives de compression développées dans la section du béton;

➢ ÉLS de déformation des éléments porteurs : dépassement des flèches admissibles, rotations excessives des appuis et déplacements importants en

tête de poteaux; ➢ Vibrations excessives, perte d’étanchéité…

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Actions et sollicitations de calcul 1. Actions ✓ Une action est toute cause produisant un état de contrainte dans la structure. Elle peut être une force ou un couple dus aux charges appliquées (concentrés,

réparties) et/ou aux déformations imposées (variations de température, tassements d’appuis…);

✓ La nature est l’intensité des actions à introduire dans les calculs sont fixés par le marché, soit par référence à des normes, codes et règlements en vigueur soit directement à partir des données de l’ouvrage. 24

➢ Charges permanentes 𝑮 : • Poids propre; • Action de la précontrainte; • poids des superstructures et des équipements fixes; • Poussée des remblais, • pression d’eau; • Déplacement différentiel des appuis; • Déformation imposée à la construction; ➢ Charges variables 𝑸𝒊 : • Charges d’exploitation 𝑸; 25

• Charges climatiques de neige 𝐒 (NV 65); • Charges climatiques de vent 𝐖 (NV 65); • L’action de la température 𝑻; • Charges en cous de construction; ➢ Actions accidentelles 𝑨 : • Séisme; • Explosion; • Chocs; • Incendie; 26

2. Sollicitations Une Sollicitation est une force ou moment interne produits par les actions : ➢ Effort normal 𝑁 (de compression >0, de traction