Chapitre I - Généralités Sur La Construction Mixte - Etudiants [PDF]

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CHAPITRE I: Généralités sur les structures mixtes acier-béton & Sécurité structurale

Ibrahima DIATTA Assistant Chargé de cours de BA et Structures UFR-SI / UT

Références bibliographiques. 1. Eurocode 4 : NF EN 1994-1-1: calcul des structures mixtes en acier-béton et son annexe NF 2. Applications (CHEC) au cours de constructions mixtes 3. Manfred A. Hirt et Rolf Bez; Traité de Génie civil livre EPFL vol.10 - construction métallique:

Notions fondamentales et méthodes d’analyses; avril 1994 4. www.systemx.fr

5. Sites internet : OTUA, CTICM, Steelbiz

Introduction Un élément structural en construction est défini comme mixte s'il associe deux matériaux de natures et de propriétés différentes avec pour objectif de tirer, sur le plan mécanique, le meilleur

parti de cette association. Une structure mixte acier-béton est donc une association de l’acier et du béton qui ont des propriétés différentes mais complémentaires :  le béton résiste de manière efficace à la compression, mais moins à la traction et,  Le béton peut raidir les sections élancées en acier vis-à-vis des phénomènes d'instabilité (flambement, voilement, déversement) qui peuvent survenir dans les parois partiellement ou totalement comprimées.  Le béton assure à l’acier une protection vis-à-vis de la corrosion (durabilité), des températures élevées,  l'acier se substitue au béton pour transmettre notamment les efforts de traction en le rendant ductile,  L’acier résiste mieux aux efforts tranchants.

La différence avec le béton armé est le rôle joué par la connexion (solidarisation des liaisons).

Selon NF EN 1994-1-1: un élément mixte acier-béton est un élément structural comportant des éléments en béton et acier de construction ou formé à froid, liés entre eux par connexion (complète ou partielle) afin de limiter le glissement longitudinale

entre béton et acier et

la séparation de ces éléments.

NB: Il ne s’agit donc pas d’une simple juxtaposition entre éléments en béton et les éléments en acier d’un élément mixte, mais d’une liaison mécanique suffisamment rigide à l’aide des connecteurs (goujons et équerres clouées), pour permettre à ces deux éléments d’être calculés comme parties d’un élément structural (monolithe).

Ce chapitre 1er est une présentation générale des éléments structuraux mixtes les plus courants :  Poteaux mixtes acier béton,

chapitre 2

 Poutres mixtes acier-béton

chapitre 3

 Dalles mixtes acier-béton.

chapitre 4

Le chapitre 5 est réservé au dimensionnement des assemblages mixtes à l’aide des connecteurs (goujons, cornières, butées, etc.). Il conviendra donc de prendre en compte toutes les notions et méthodes d’analyses et de dimensionnement liées à l’acier de construction et au béton, ainsi qu’aux exigences de base: la résistance structurale, l’aptitude au service et la durabilité.

Ceci nécessitera l’utilisation conjointe de l’Eurocode 4 (NF EN 1994-1-1) avec les normes suivantes: NF EN 1990, NF EN 1991, NF EN 1992, NF EN 1993,

Extrait de: Les Dossiers du CSTC – Cahier n° 7 – 4e trimestre 2004

Présentation des structures mixtes acier-béton

Poutres mixtes

Poutre mixte [NF EN 1994-1-1]: est un élément mixte soumis principalement à la flexion. Dalle en béton armé ou en béton précontraint liaisonnées à la poutre métallique

Poutre à âme pleine ou peut être une poutre en treillis

Section mixte en T

Poutre métallique en caisson

Poutre mixte partiellement enrobée

Dalle avec renformis

Figure 6.1 : Sections types de poutres mixtes

Comportement mixte [NF EN 1994-1-1]: est un comportement apparaissant après que la connexion ait atteint son efficacité par durcissement du béton.

Poteaux mixtes

Poteau mixte [NF EN 1994-1-1]: est un élément mixte soumis principalement à la compression ou à la compression et à la flexion.

Profilé totalement enrobés

Profilés partiellement enrobés

(enrobés)

Tubes en aciers remplis de béton

Liaison acier-béton est réalisée par frottement (confinement du béton), ou par des connecteurs

Tubes en aciers remplis de béton avec profilé en acier H à l’intérieur du tube.

Dalles mixtes

Dalle mixte [NF EN 1994-1-1]: est une dalle dans laquelle des plaques nervurées en acier sont utilisées initialement comme coffrage permanent et collaborant ensuite structuralement avec le béton durci pour agir comme armature de traction dans le plancher fini. Béton durci Plaques nervurées (tôle profilée)

Les nervures de la tôle disposées perpendiculairement aux poutres fait que la dalle mixte porte essentiellement

dans une seule direction. La liaison acier-béton est réalisée par la forme des nervures et par des bossages réalisées sur la tôle lors du profilage à froid.

Plancher collaborant acier béton

Plaques nervurées (tôles profilées)

En général, l’épaisseur des tôles est comprises en 0,75 mm et 1,5 mm, chaque face étant protégée contre la corrosion par une couche de zinc d’épaisseur 0,02 mm environ (galvanisation à chaud); un laquage peut être envisagé en complément de la galvanisation.

Leur limite d’élasticité est fyp comprise entre 220 et 350 Mpa. Le modèle de comportement élastoplastique parfait, avec le module d’élasticité longitudinale Ea = 210 Gpa qui s’applique aux aciers de construction, peut s’appliquer également au matériau de base des tôles profilées.

Assemblages mixtes

Assemblage mixte [NF EN 1994-1-1]: est un assemblage entre un élément mixte et un autre élément mixte en acier ou en béton armé, où l’armature est prise en compte dans le calcul pour la résistance et la rigidité de l’assemblage.

Figure 8.1 : Exemples d'assemblages mixtes

Exemples d'assemblages mixtes : poutre-poteau

Exemples d'assemblages mixtes : poutre-poteau

Assemblage poutres sur poutre

Ossatures mixtes

Ossature mixte [NF EN 1994-1-1]: est une ossature dans laquelle certains ou la

totalité des éléments mixtes et où la plupart des éléments restants sont des barres en

acier de construction.

On rencontre les ossatures mixtes tant dans les bâtiments que dans les ponts.

Avantages des structures mixtes en acier-béton

Souplesse et flexibilité d’aménagement intérieur (demande de grande surface) ou extérieur (extension, démontages): utilisation évolutive de l’espace;

Facilité d’accès et d’intervention ultérieure (réhabilitation, modification); Intégration des équipements techniques dans l’épaisseur de la dalle de grande portée et poteaux,

Sécurité incendie: accès aux services de lutte incendie Meilleure protection contre l’incendie: -----WTC

Réduction des dimensions transversales des éléments structuraux par rapport au béton même avec le revêtement anti-feu; donc une diminution du poids propre des éléments et par conséquent une légèreté et économie

sur l’infrastructure et les fondations (intéressant pour les sols de qualités médiocres);

Portée des poutres plus importante (15 à 20 m);

Poteaux plus élancés (5 m); La rigidité plus élevée pour les poutres et dalles (flèches faibles); o Grandes surfaces, nombres de poteaux réduits; car toutes les composantes sont utilisées au mieux;

Meilleurs comportement face aux séismes: minimisation de l’action sismique et dissipation de l’action sismique grâce à la grande ductilité; Économie de construction et rentabilité économique o Compétitive en terme de cout global par rapport à l’acier et au béton, o 10% du cout global du bâtiment – 90% fondations, façades, équipements

techniques, cout d’exécution et logistique; o Avantages architecturaux: forme architecturale complexe, avec des façades et des atriums largement vitrés. o Rapidité d’exécution (temps de construction réduit).  Le pré-assemblage des équipements techniques, des ascenseurs, des sanitaires et

des locaux techniques a également son importance dans les projets majeurs.  Disponibilité des profilés laminés

Inconvénients des structures mixtes en acier-béton

Portée limitée p/r à la consommation de l’espace intérieur pour les grandes portées non étayée en phase de construction; Porte-à-faux limitée; Hauteurs des bâtiments limitées par des règles d’urbanisme obligeant à réduire l’épaisseur des planchers, par exemple en y intégrant la structure et les

équipements techniques, Destination mixte : bureau, restaurant, hôtels, appartements; Protection anti-corrosion obligatoire pour une bonne durabilité, allier protection et couleur Entretien régulier de la protection,

Béton de qualité minimum C20/25 et LC20/22 et inférieure ou égale à C60/75.

Caractéristiques des matériaux

si calcaire majorer de 10% et 20% pour

Le béton armé Se référer à la norme NF EN 1992-1-1 ou cours de BA1 et BA2;

f ck f cd  γc



 f ck  8  E cm  22    10 

le basalte

pour le béton normal et léger

0,3

Pour les granulats quartzites

γ c  1,5



f yd 

la résistance caractéristique mesurée sur cylindre, fck, déterminée à 28 jours

f yk γs

pour les armatures du béton armé

f yk  400  500  600 MPa

 s 1,15

E s  200 000 MPa

Aciers de construction Se référer à la norme NF EN 1993-1-1 ou cours de CM1 et CM2 pour la classification des sections transversales;

valable pour f y  460 MPa

E a  210 000 MPa

Coefficients partiels

pour le calcul des résistances des éléments de structures

et assemblages

Rd 

Rk

M

Classification des sections transversales

Axe de flexion

Axe de flexion

Effets du voilement de plaque sous contraintes normales à l’état limite ultime (section 4 EC3-1-5): cas des sections de classe 4

Plaques sans raidisseurs longitudinaux (âmes des poutres)

Effets du voilement de plaque sous contraintes normales à l’état limite ultime (section 4 EC3-1-5)

Plaques sans raidisseurs longitudinaux

(semelles des poutres)

Sécurité structurale

Durée d’utilisation de projet L’Eurocode NF EN 1990 définit des durées indicatives d’utilisation de projet.

Tableau 2.1 (NF) : Durée indicative d'utilisation de projet

• La catégorie 1 (10 ans) correspond aux ouvrages provisoires • La catégorie 4 (50 ans) correspond aux bâtiments courants, • La catégorie 5 (100 ans) correspond aux ouvrages d’art (ponts, monuments historiques, etc.)

• Pour les Structures mixtes acier-béton (bâtiments) la durée d’utilisation peut être supérieure à 60 ans

Classes indicatives de résistances minimales

 XC2 = XC1,  XC3 = XF1,  XC4 = XF1,  XS1 = XS2  XD1 = XF1.

Tableau E.1.1 NF Classes de résistances minimales (pour béton coulé sur place vs préfabriqué)

Actions et combinaisons d’actions

Classification des actions Les actions doivent être classées de la manière suivante en fonction de leur variation dans le temps :

 les actions permanentes (G), par exemple poids propre des structures, équipements fixes et revêtements de chaussée, et actions indirectes provoquées par un retrait et des tassements différentiels ;  les actions variables (Q), par exemple les charges d'exploitation sur planchers, poutres et toits des

bâtiments, les actions du vent ou les charges de la neige ;  les actions accidentelles (A), par exemple les explosions ou les chocs de véhicules.

Les actions doivent également être classées :  selon leur origine, comme directes ou indirectes ;  selon leur variation spatiale, comme fixes ou libres ; ou  selon leur nature et/ou la réponse structurale, comme statiques ou dynamiques.

Durabilité et sécurité Structurale des Constructions

Charges permanentes de certains matériaux de construction

Charges d’exploitation

Charges d’exploitation

Charges d’exploitation

Combinaisons d'actions pour vérifier les ELU ELU - combinaisons fondamentales en situation de projet durable et transitoire

ELU - Combinaisons d'actions pour situations de projet accidentelles

Combinaisons d'actions pour les situations de projet sismiques

Combinaisons d'actions pour vérifier les ELS Combinaisons caractéristique (a combinaison caractéristique est normalement utilisée pour des états-limites irréversibles):

Combinaison fréquente (La combinaison fréquente est normalement utilisée pour des états-limites réversibles) :

Combinaison quasi-permanente (La combinaison quasi-permanente est normalement utilisée pour des effets à long terme et l'aspect de la structure.):

Valeurs des coefficients ψ (application au bâtiment)

Définitions des flèches verticales

Valeurs limites maximales recommandées des flèches verticales

Pour les poutres en porte à faux, la longueur L à considérer est égale à deux fois la longueur du porte-à-faux.

Valeurs limites maximales recommandées pour les flèches horizontales (1/3)

Valeurs limites maximales recommandées pour les flèches horizontales (2/3)

Valeurs limites maximales recommandées pour les flèches horizontales (3/3)

Quelques exemples d’images d’immeubles et ouvrages en structures mixtes acier-béton

Le Renard parisien

Vet-School-carouse / University of Surrey

ULB

Tour SO Ouest / à Levallois

Ampliada / Montévideo

Tour eurosky

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