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Zitiervorschau

UNIVERSITE LIBANAISE FACULTE DE GENIE BRANCHE 1 ‫الجامعة اللبنانية‬ ‫كلية الهندسة‬

PROJET DE FIN D’ETUDE Réalisé par Elias Al-Chalouhy En vue de l’obtention du

Diplôme d’Etudes Approfondies Option Mécanique

Construction Métallique Etude d’un bâtiment multi-étage en charpente métallique Dirigé par : Dr. Mohammad AbdulWahab

Soutenu devant le jury : Dr.Khalid Khalil Ing.Joseph Gholem

Session Juillet 2013

A nos mères, nos pères, nos sœurs, nos frères. Et tous ceux qui nous ont aidés… Merci n’est qu’un mot pour exprimer notre respect !!

Ce travail a été réalisé au laboratoire de la faculté de génie de l’Université Libanaise. Nos remerciements vont à tous ce qui ont apporté leur contribution à cette recherche, en particulier à : 

Dr. Hallak Adel, le chef de département, pour ses conseils et ses encouragements.



Dr. Abul Wahab Mohammad, mon superviseur pour sa direction vigilante du travail, son dynamisme, ses conseils bien avisés ainsi que son soutien moral et l’attention bienveillante qu’il a manifestée à l’égard de notre travail. Je lui exprime une très haute considération. J’espère que mon travail, fruit de recherche et d’assiduité, sera à la hauteur de son esprit.



Dr. El Houssein Houssein, pour ses conseils et ses encouragements.



Dr.Khalil Khaled et Ing. El Ghoulam Joseph, pour nous avoir donnés l’honneur d’être les membres de jury.



Ing. Slaymen Riad, pour son vif intérêt, son aide permanent pour surmonter les difficultés que j’ai confrontées.



Nos collègues de classe, pour l’ambiance amicale qu’ils ont offerte durant les cinq années d’étude.

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Résumé : Mon projet consiste à étudier un bâtiment à quatre étages en charpente métallique. Après avoir faire tout le calcul nécessaire et après avoir fait toutes les démarches j’obtiens un bâtiment en charpente métallique stable aux différents phénomènes qui vérifient toutes les conditions et toutes les règles de calcul. Ce projet peut être utilisé comme un guide dans la construction métallique d’un bâtiment multi-étage.

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Table des matières :

Introduction Générale ……………………………………………………………7 Chapitre 1 ………………………………………………………………………..15 Pré-dimensionnement 1.1Choix des appuis 1.2Calcul des pannes 2.1 Introduction 2.2 Assemblage des pannes 2.3 Choix et vérification des pannes Chapitre 2 ……………………………………………………………………….21 Calcul des sollicitations Chapitre 3……………………………………………………………………….25 Dimensionnement de la traverse 3.1 Introduction 3.2 Choix et vérification de la traverse 3.3 Vérification de la traverse au déversement Chapitre 4 ……………………………………………………………………….31 Dimensionnement des poteaux 4.1 Introduction 4.2 Encastrement des poteaux 4.3 Choix des poteaux et vérification par les méthodes de calcul 4.4 Calcul de la platine et des ancrages en pied du poteau Chapitre 5 ……………………………………………………………………..66 Calcul des assemblages et des soudures 5.1 Introduction 5.2 Calcul des assemblages 5.3 Assemblages Poteau traverse 4

Chapitre 6 …………………………………………………………………….75 Calcul de contreventement 6.1 Introduction 6.2 Méthode de calcul 6.3 Calcul de la palée de stabilité en long pan 6.4 Vérification de la rigidité de contreventement Chapitre 7 ……………………………………………………………………101 Choix et calcul des ossatures Annexe ……………………………………………………………………....108

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INTRODUCTION GENERALE 1. Historique : Le fer a commencé à faire son apparition comme matériau de construction au milieu de e

XVIII

siècle. Ses fonctions principales étaient essentiellement l'ornementation et le

renforcement des ossatures .A la fin du XVIIIe siècle, les pièces métalliques n'étaient pas cachées dans les murs de pierre, mais composaient l'ossature principale des constructions, contribuant ainsi à une nouvelle forme d'architecture. Avec le fer, les schémas ou méthodes de conception bouleversée. En effet, le concepteur ne travaille plus avec des éléments singuliers, en fonte moulée en atelier mais avec des profilés standards (I, L, T), dont l'assemblage permettait d'aboutir aux solutions recherchées. C'est ainsi qu'apparurent au début du XIXe siècle les premières poutrelles en fer forgé en I, en T ou en L. Les progrès techniques réalisés dans le domaine de la production métallique contribuent à l'apparition d'un nouveau matériau, appelé acier. Ce dernier, décrivant directement du fer, apparut à la fin du XIXe siècle, modifiant une fois encore l'environnement de la construction. La période après la seconde guerre mondiale fut caractérisée par un besoin urgent de reconstruction. La rapidité d’exécution, l’économie des moyens et la rationalité étaient alors les contraintes à respecter par les concepteurs de l’époque. La construction métallique fut plébiscite par les ingénieurs et les architectes, car elle répondait parfaitement à ces contraintes et pouvaient bénéficier d'une industrie métallurgique très forte. Cela contribua à une utilisation à nouveau plus massive de l'acier comme matériau de construction. Cependant, il fallut attendre le milieu des années 80 pour entrevoir les premiers signes d'une architecture inventive, caractère de la construction en acier d'aujourd'hui.

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2. La construction métallique dans le secteur résidentiel Facteurs clés : Les facteurs clés qui déterminent l’utilisation de l’acier dans la construction de logements sont essentiellement le coût, la qualité, les délais.  Coût Le coût d’une construction dépend des matériaux, de la main d’œuvre, des équipements et machineries et de certains composants spécifiques utilisés, ainsi que de sa durée de conception. Il est également fonction des délais de construction. La construction métallique permet une meilleure productivité. Par rapport à une construction traditionnelle en béton ou en maçonnerie, les coûts de main d’œuvre sont réduits à la fois en atelier et sur le chantier. Le haut degré de préfabrication des systèmes constructifs acier réduit encore les délais de construction et améliore les conditions de sécurité. Pour un immeuble d’habitation de six étages situé en zone urbaine, les études de coûts ont montré que le choix de l’acier conduit à des économies allant jusqu’à 6 % par rapport à une construction en béton. Typiquement, le coût de la charpente en acier ne représente que 12 à 15 % du coût de construction total d’un bâtiment résidentiel. C’est le choix de ce type de structure, par l’impact qu’il a sur celui des autres composants du bâtiment et sur le temps de montage, qui permet de dégager des économies. L’analyse des coûts en termes de cycle de vie fait également apparaître que, pour des durées de vie dépassant 50 ans, les coûts “d’usage” d’un bâtiment sont 100 fois plus élevés que les coûts de construction. Il est donc essentiel de retenir des méthodes de construction qui, durant la phase d’exploitation du bâtiment, assurent une économie d’énergie, une flexibilité d’usage et une faible maintenance.

 Délai Plus la construction est rapide, plus les économies réalisables sont importantes, comme notamment : • Des réductions des frais fixes de gestion et des frais d’installation du chantier ; • Des réductions des frais financiers ; • Des rentrées d’argent précoces, issues d’une location ou exploitation anticipée du bâtiment ;

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• De moindres désagréments des usagers (en particulier dans le cas d’extensions). Toutes les méthodes de construction en acier, qui reposent sur la préfabrication et bénéficient de mises en œuvre rapides, génèrent ainsi des gains liés à la réduction des délais. Le National Audit Office (NAO) au Royaume-Uni a publié un rapport intitulé “Utiliser des méthodes modernes de construction pour construire des logements plus rapidement et plus efficacement”. Il est basé sur diverses observations recueillies en atelier et sur chantier. Il présente plusieurs conclusions sur les avantages de différents modes de construction aux niveaux de préfabrication variés. Les types de construction étudiés sont les panneaux plans, la construction “hybride” (modules et panneaux) et la construction 100% modulaire. Ils sont comparés à la construction traditionnelle en termes de délais de construction et de coûts.Pour la construction à ossature métallique, l’indicateur clef est le temps nécessaire pour installer l’enveloppe et mettre le bâtiment hors d’eau. Dans le meilleur des cas, ce délai peut être ramené à 20 % du temps observé dans la construction traditionnelle en briques et blocs de ciment. La durée globale de construction peut ainsi être réduite de 60 %.

 Qualité La qualité d’un bâtiment est liée à ses performances, à la fiabilité et à l’élégance de la conception : autant de facteurs plus difficiles à quantifier que les facteurs économiques. L’acier est un matériau de haute qualité, produit selon des normes exigeantes. Ses composants présentent des dimensions précises et constantes de la fabrication à l’installation. Autant de facteurs qui contribuent à la fiabilité à long terme des bâtiments. Par ailleurs, les coûts des petites réparations, liées à l’apparition de fissurations et retraits lors de la prise du béton, sont pratiquement supprimés par l’emploi de technologies de construction sèche utilisant l’acier. 1 à 2% d’économies sont ainsi réalisées sur le coût total de construction. La souplesse d’utilisation d’un bâtiment au cours du temps conditionne largement sa valeur patrimoniale, paramètre clef du plan d’investissement du client. La variété des traitements de façade et des formes constructives proposés par l’acier garantit la liberté architecturale jusque dans l’aménagement de l’espace intérieur, lui-même facilité par les grandes portées structurelles qu’offrent les techniques de construction métallique. La construction modulaire et préfabriquée améliore la qualité des bâtiments ; Composants et équipements techniques coûteux peuvent être pré-montés et testés « à blanc » hors du chantier de construction. 8

3. Objectifs : Le but de ce projet est de traiter : -le calcul des sollicitations des actions dues au vent et aux charges permanentes. - le pré-dimensionnement d'un bâtiment multi-étage. - l'étude des phénomènes d'instabilité élastique d'après la règle additive 80. - la vérification de la stabilité de l'ensemble (poutre, traverse, panne). Ce projet sera alors, comme un guide qui traite de A à Z, la démarche ou les étapes à suivre pour accomplir un projet de construction d'un bâtiment multi-étage en charpente métallique.

4. Données :

Ce bâtiment multi-étage comporte 4 étages et chaque étage comporte 16 chambres. 1. Dimensions de l’étage : 2. Hauteur H = 4 m 3. Longueur L = 16 m 4. Largeur l= 16 m 5. Dimensions d’une chambre : 6. Hauteur H = 4 m 7. Longueur L= 4 m 8. Largeur l = 4 m

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Figure: configuration de l’ossature métallique

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Cahier de charge du batiment : q=35.49 KN/m Charge du plancher étage inaccessible

q=36.6 Kn/m Charge du plancher étage courant

q=70 DaN/m C’est la charge du vent

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5. Organigramme : Etude d’un bâtiment métallique : Charges: -

Vent Charges Permanentes Climatiques

Caractéristiques mécaniques et géométriques

Conditions aux limites

Calcul par robot

Résultats obtenus Moment Réaction Flèche

Adopter un profil convenable

Stabilité de la structure selon les règlements

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Chapitre 1 Pré-dimensionnement L’acier E24 est utilise, donc la contrainte admissible sera σe = 240 MPa.

1. Choix des appuis : Les principaux schémas statiques peuvent être groupés en 2 catégories : - pieds de poteaux articulés - pieds de poteaux encastrés Ils sont récapitulés dans l'annexe. Il faut bien savoir, que plus les structures sont de degré d'hyperstaticité élevé, plus elles sont stables, rigides et indéformables, mais plus leur coût est élevé .On peut donc se contenter de structures isostatiques (A3 et E1), pour un coût minimal. Cependant, ce sont les structures hyperstatiques de degré 1 les plus couramment utilisées (A4).

2. Calcul des pannes : 1. Introduction

La structure porteuse d'une toiture est constituée de pannes reposantes sur des fermes. La fonction principale de ces pannes est de supporter la couverture du toit et de transmettre aux éléments porteurs les charges agissant sur la toiture, celles-ci étant: 

Le poids propre de la panne



Le poids de la couverture



La neige



Le vent



Les masses suspendues Par la même occasion elles lient les fermes entre elles assurant ainsi la stabilité de celles-

ci. Elles sont espacées d’un écartement constant qui varie en fonction du type d'élément de 13

toiture prévu, pratiquement de 1m pour les plaques ondulées en fibrociment à 4m pour les tôles profilées. Lorsque la toiture est plate, les pannes, dont l'âme est dans ce cas verticale, sont fléchies essentiellement selon leur axe fort. On utilise alors en général des profilés laminés à chaud du type IPE qui conviennent bien à ce type de sollicitations. Lorsque la toiture est inclinée, on peut disposer les pannes soit verticalement soit perpendiculairement à la toiture. Pour des questions d'équilibre, la première solution est la meilleure, car les charges importantes (poids propre, neige,...) agissent verticalement dans le plan de l'âme des pannes. Pour des raisons de construction par contre, on préfère le plus souvent incliner les pannes, ce qui crée alors une sollicitation hors du plan de l'âme plus importante que dans le cas précédent et ce qui nécessite la mise en place d'échantignoles.

2. Assemblages

Les pannes sont assemblées aux traverses de cadres ou aux fermes par boulonnage. Sur les toitures inclinées, pour éviter le glissement et le basculement à la pose, les pannes sont fixées à l'aide d'échantignoles.

2.1 Fixation avec Echantignoles Les échantignoles assurent la liaison entre pannes et structure principale. Les pannes sont "suspendues" afin d'éviter la compression locale de l'âme. C'est pourquoi il y a un jeu d'environ 10mm entre l'ossature et le profilé. Les échantignoles standards sont fabriquées dans des aciers à haute limite élastique et galvanisées à chaud. Les échantignoles sont fixées aux fermes soit par boulonnage soit pas soudage. Les pannes sont attachées aux échantignoles par boulonnage.

2.2 Fixation avec Eclisses L'éclissage permet de réaliser la continuité des pannes et par la même occasion un abattement du moment sur appui. Les éclisses sont généralement profilées à froid, comme les pannes, mais à partir de tôles d'acier plus épaisses de l'ordre de 4mm. Compte tenu de la forme

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de la section des pannes, l'éclissage est placé d'un seul côté, avec des boulons au simple cisaillement.

2.3 Fixation avec Liernes Le liernage des pannes d'une toiture a les fonctions suivantes : 

En phase de montage du bâtiment, assurer la rectitude des pannes avant mise en place de la couverture



En phase d'exploitation du bâtiment, apporter aux pannes un maintien latéral

Pour remplir correctement ces fonctions, il faut créer dans le plan de chaque versant un élément structurel raide : les lièrnes seules ne suffisent pas (les liernes seules égalisent le déplacement latéral

des

pannes

mais

ne

l'annulent

pas),

il

faut

leur

associer

des

tirants

ajustables qui permettent de constituer une poutre-treillis dans le versant. Les montants sont les liernes et les diagonales sont les tirants.

3. Choix et vérification des pannes Les pannes sont dimensionnées par le calcul pour satisfaire simultanément: - aux conditions de résistance - aux conditions de flèche

Condition de résistance: Il suffit de vérifier, après avoir calculé le moment de flexion Mx du aux charges provenant du plancher étage courant, que la contrainte σx est plus petit que σe de l'acier E 24 donc il faut que: σx< σe.

Les charges sont: Le plancher étage courant supporte les charges suivantes:

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Revêtement en carrelage (2 cm) = 40 daN/m2 Mortier de repos =36 daN/m2 Lit de sable =34 daN/m2 Dalle en beton armé =200 daN/m2 TN 40 =10 daN/m2 Enduit plâtre =10 daN/m2 Cloisons légers =75 daN/m2

Donc les charges totales supportées par le plancher étage courant sont : G=405 DaN/m2 et Q=250 DaN/m2 Donc la charge supportée par les pannes est : q=4/3 G + 3/2 Q Donc q= (4/3 ×405 + 3/2×250)×a =9.15 KN/m . Dans chaque chambre ,5 pannes avec un entre axe de 1m donc a=1m. Les deux extrémités des pannes sont en appuis donc Mfx= Pour vérifier la condition de résistance il faut que σx