Rapport de PFE [PDF]

Zitiervorschau

PROJET DE FIN D’ETUDE Conception et calcul d’un complexe sportif en construction métallique : « Espace Loisirs »

Auteurs : Frédéric Eisele et Christophe Foulquier INSA de Strasbourg, Elèves en cinquième année à l’INSA de Strasbourg, Génie civil Tuteur entreprise :

Pierre Duquesnay, SEDIME S.A. Tuteurs INSA : Claude Schaeffer et Freddy Martz

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Christophe FOULQUIER Frédéric EISELE INSA Strasbourg Spécialité Génie Civil

Sommaire

Remerciements ______________________________________________________ 4 Introduction _________________________________________________________ 5 1

Présentation de l’entreprise SEDIME _________________________________ 6

2

Présentation du projet _____________________________________________ 7

3

4

2.1

Les intervenants principaux___________________________________________ 8

2.2

Démarche conceptuelle ______________________________________________ 9

2.3

Le bâtiment et la structure porteuse. ___________________________________ 9

Conception des Structures ________________________________________ 10 3.1

Portiques _________________________________________________________ 10

3.2

Assemblages ______________________________________________________ 11

3.3

Contreventements __________________________________________________ 11

3.4

Montage __________________________________________________________ 12

3.5

Bâtiment principal __________________________________________________ 12

3.6

Hall de sport_______________________________________________________ 13

Stabilité de la structure ___________________________________________ 17 4.1

Bâtiment principal, cours collectifs et piscine ___________________________ 17

4.2

Contreventement du Hall de sport_____________________________________ 30

5

Couverture et bardage ____________________________________________ 31

6

Planchers ______________________________________________________ 32

7

Hypothèses de charges ___________________________________________ 35 7.1

Charges permanentes_______________________________________________ 35

7.2

Charges d’exploitations _____________________________________________ 35

7.3

Charges de vent ___________________________________________________ 35

7.4

Charges de neige __________________________________________________ 38

7.5

Action sismique____________________________________________________ 42

8

Dimensionnement des éléments de la structure _______________________ 44

9

Vérification au feu _______________________________________________ 54 9.1

Réglementation relative aux ERP _____________________________________ 55

9.2

Influence de la prise en compte de la vérification au feu __________________ 55

9.3

Méthode de vérification _____________________________________________ 56

9.4

Résultats pour les poutres à l’étage 1 du portique de la file 4. _____________ 59

9.5

Résultats pour le poteau 8 du portique de la file 4. _______________________ 60

9.6

Protections passives _______________________________________________ 60

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10 10.1

11

Vérification au déversement _____________________________________ 66 Principe de vérification ______________________________________________ 67

Vérification au flambement ______________________________________ 71

11.1

Flambement dans le plan de flexion ___________________________________ 71

11.2

Flambement hors du plan de flexion ___________________________________ 72

11.3

Comparaison entre les deux modes de flambement ______________________ 72

11.4

Longueur de flambement ____________________________________________ 73

11.5

Les sollicitations ___________________________________________________ 73

11.6

Les élancements ___________________________________________________ 73

11.7

Coefficients _______________________________________________________ 74

11.8

Vérifications _______________________________________________________ 76

12

Variante en treillis du hall de sport ________________________________ 78

12.1

Description________________________________________________________ 78

12.2

Analyse du treillis __________________________________________________ 81

13

Calcul des assemblages ________________________________________ 85

13.1

Les encastrements _________________________________________________ 85

13.2

Les pieds de poteaux _______________________________________________ 91

Conclusion _________________________________________________________ 96 Table des figures ____________________________________________________ 97 Table des tableaux __________________________________________________ 98 Table des annexes ___________________________________________________ 98 Table des plans _____________________________________________________ 98 Bibliographie _______________________________________________________ 99

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Remerciements Nous tenons tout d’abord à remercier Pierre DUQUESNAY, notre tuteur de projet de fin d’études, pour nous avoir permis d’effectuer un projet de fin d’étude au sein de son agence. Sa disponibilité et son professionnalisme nous ont été indispensable pour mener à bien notre étude. Nous remercions également monsieur Schwetterlé (ingénieur) et monsieur Robinot (projeteur) pour nous avoir conseillé tout au long du projet. Nous remercions aussi monsieur Schaeffer et monsieur Martz, nos tuteurs de stage pour leurs conseils dans mon travail.

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Introduction Dans le cadre de notre formation d’ingénieur en Génie civil à l’INSA de Strasbourg, un projet de fin d’étude doit être réalisé. Nous avons choisis d’effectuer notre projet au sein du bureau d’études de construction métallique SEDIME. Il s’agit de l’étude d’un complexe sportif. Ce complexe sportif doit être réalisé pour la société Espace Loisirs, située actuellement route du Rhin à Strasbourg. Cette société désire un établissement plus important avec d’avantage d’activités à proposer à sa clientèle. Cette nouvelle construction permettra d’accueillir, toutes personnes souhaitant exercer une activité physique, comme par exemple du squash, fitness, badminton et tennis, ou souhaitant passer un moment relaxant dans l’espace détente. Puisque, nous étions deux élèves à réaliser notre projet de fin d’étude dans la même entreprise, le choix d’une étude commune, sur le même projet a été retenu. Ce complexe sportif comporte un certain nombre de spécificités qui permet un travail en binôme. Les axes principaux de l’étude sont la conception et le dimensionnement du complexe sportif. Les bâtiments étudiés seront réalisés en charpente métallique. Cette étude est faite par le bureau d’études SEDIME spécialisé en structures métalliques et bois. La réalisation de ce projet au sein de l’entreprise SEDIME est sous la tutelle de Monsieur Pierre Duquesnay, directeur de l’agence de SEDIME Wolfisheim. Un travail de conception doit être fait, à partir des plans d’architecte. Il faut définir un filaire, une géométrie de portique, étudier la stabilité des structures, faire des choix technologiques en ce qui concerne l’enveloppe du bâtiment et les planchers. Ce travail nous amène à définir les hypothèses de charges, et effectuer les descentes de charges. L’élaboration de la note de calcul concernant les portiques, pannes, contreventements et assemblages, fait partie intégrante de ce travail. L’étude est réalisée avec les normes NV65, CM66, Additif 80 PS92 et les réglementations au feu FA 92-702 en vigueur à l’heure actuelle. Une étude de charge aux Eurocodes est réalisée pour un hall de sport. Par ailleurs, une variante de ce hall de sport est faite en poutre treillis. Pour l’ensemble du projet, le dimensionnement des portiques se fait avec l’aide du logiciel Robot Millenium.

La construction étant un établissement recevant du public, une des difficultés du projet, est d’assurer une stabilité au feu de 30 minutes. Ce complexe sportif à deux étages se trouve à Strasbourg et nécessite donc une vérification parasismique. Ce projet présente une innovation pour la région Alsace, par le choix d’utiliser un nouveau type de plancher mixte qui se dénomme Cofradal 200, proposé par la société Arval. Cette construction dispose également d’une singularité par son brise-soleil qui recouvre entièrement le bâtiment piscine. Par ailleurs, l’objectif est également d’effectuer des plans d’ensemble de la structure ainsi que des détails d’assemblages et d’étanchéités, sous le logiciel Autocad. Les dessins en 3 dimensions dans ce rapport sont réalisées sous SolidWorks afin d’illustrer certaines explications.

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1 Présentation de l’entreprise SEDIME SEDIME S.A. est une société Mulhousienne, dans l'étude et la conception de constructions métalliques et bois. Elle se compose d’un bureau d'études, composé d'une équipe d'ingénieurs et de techniciens spécialisés dans la conception et la réalisation de structures. Elle dispose également d’outils informatiques performants et adaptés à la physionomie de tous types de projets, permettant de réaliser les études en 3 dimensions. Avec 20 années d’expériences et fort de son savoir faire, SEDIME a fait ses preuves auprès d’une large clientèle, tant régionale que nationale. SEDIME S.A. compte une importante clientèle privée et publique. Elle offre également ses compétences et ses services pour un grand nombre d'architectes, de maîtres d'œuvres, de maîtres d'ouvrages et d'entreprises. Des surfaces commerciales, des complexes sportifs, des équipements de loisirs, des bâtiments scolaires, des bâtiments culturels, des ouvrages publics, des bâtiments industriels, des bâtiments bureaux, des maisons individuelles, des réhabilitations et transformations de tous types de bâtiments, des racks, des passerelles et ouvrages d'Art ; mais aussi des expertises ; etc. … Face à une demande précise, sa multi-compétence lui permet une totale prise en charge du projet, de la sélection des matériaux à sa faisabilité technique et financière.

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2 Présentation du projet Ce projet est un complexe sportif en charpente métallique, qui se compose d’un bâtiment principal à deux étages. A celui-ci se trouve rattaché un bâtiment annexe, comprenant des salles, pour effectuer des cours collectifs, ainsi qu’un bâtiment, pour la réalisation d’une piscine, qui sont structurellement dépendants au bâtiment principal. A cela s’ajoute, un hall de deux nefs principales avec un appentis, pour des cours de badminton et de squash. La vue d’avion cidessous, le représente avec une nappe treillis présente dans le hall existant. Mais une solution avec portique est retenue. L’ensemble du projet représente une surface de : • 3630 m2 pour les constructions métalliques. • 488 m2 pour le restaurant en béton. La hauteur du bâtiment principal (Cardio et détente) est de 10,8 mètres. Un brise soleil au dessus de la piscine s’élève à une hauteur de 11,5 mètres. Il s’agit d’un ERP (établissement recevant du public) qui prévoit un flux de 700 personnes. De ce fait, la réglementation incendie est une contrainte importante du projet. Il est en effet nécessaire de justifier les éléments de structure, à une tenue au feu d’une demi-heure. Le hall de sport présente des éléments de structures apparentes. Par conséquent, cette partie du projet n’impose pas de vérification à la tenue au feu.

Figure 1: Vue d'avion du projet

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2.1 Les intervenants principaux -

-

-

Maître d’ouvrage : •

Espace Loisirs - 31 route du Rhin – 67000 Strasbourg

• • • • • • • •

Architecte : Architecture Concept BET Structure : SIB + SEDIME Economiste : Economie 2 BET Fluides : SEXTANT BET Electricité : ECT Cuisiniste : Ecotral Acousticien : ESP BET HQE : Socotec

Maîtres d’œuvres :

Localisation géographique :

Le complexe sportif actuel est situé au port autonome de Strasbourg, route du Rhin. Le nouvel établissement sera situé non loin de son emplacement originel.

Sur le plan d’ensemble, on a repéré les différents bâtiments composant le projet. Le restaurant ne fait pas partie du projet car il sera construit en béton. L’entrée principale se situe entre le bâtiment piscine et le restaurant.

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2.2 Démarche conceptuelle Les choix architecturaux et structuraux ont été guidés par le souci de répondre aux besoins des clients voulant pratiquer des activités sportives. • • • • • •

Qualité de la lumière, naturelle ou artificielle, grâce à des ouvertures présentes sur la façade piscine, au premier étage dans la partie Cardio. Capacité à réduire l’intensité néfaste du soleil avec un brise soleil devant la piscine. Qualité acoustique assuré par l’épaisseur des planchers. Capacité à recevoir des machines de musculation à l’étage Cardio, et des jacuzzis dans l’espace détente. Capacité de la structure à résister au chlore et à l’humidité de la piscine et des vestiaires. Possibilité d’avoir une grande ouverture de la salle « cours collectif » vers l’extérieur.

2.3 Le bâtiment et la structure porteuse. 2.3.1 Présentation fonctionnelle du bâtiment Plusieurs activités sportives sont proposées dans ce complexe. Les coupes et plans d’ensemble suivants montrent la répartition des activités dans les bâtiments. 13 m

19,4 m

18,45 m

Bâtiment Cardio et Détente

Bâtiment Cours collectifs

N

Brise soleil

48 m

Bâtiment Piscine

Hall sport Hall dede sport Badminton + Squash Babington + Squash

11,2 m

42 m

Restaurant

38 m

Figure 2: Répartition des sports dans les bâtiments

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Brise soleil

Cardio

Espace détente

Vestiaires H

Vestiaires F

Cours collectif - Grande Salle

Piscine

Figure 3: Répartition des sports sur une coupe du bâtiment principal

3 Conception des Structures Le choix d’une conception doit: • être économique • être réalisable • assurer la stabilité d’ensemble de la structure Les dimensionnements doivent être : • économique • capable de résister aux efforts maximaux • capable de se déplacer dans les tolérances admissibles

3.1 Portiques Les traverses des portiques peuvent être rectilignes. Mais on impose une pente de 3,1%, qui présente l’avantage de ne pas avoir de stagnation d’eau sur la toiture. Avec un effet de voûte et une pente plus importante, une partie des forces verticales est transmise par compression dans les traverses, et donc les moments de flexion et les flèches sont plus faibles qu’avec des traverses rectilignes.

Les portiques sont capables de résister aux charges verticales et horizontales agissant dans leur plan. Ces charges provoquent des sollicitations de flexion, effort axial et effort tranchant. Les portiques peuvent être à simple travée ou à travée multiple (Hall de sport), à simple niveau ou multi-étagés (bâtiment principal).

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L’espacement des portiques est imposé par le bardage qui repose sur des appuis tous les 6 mètres. Pour des portées inférieures 20 mètres, on utilise généralement des barres laminées. C’est pourquoi cette solution est retenue dans le projet. Concernant le hall de sport, un espacement des portiques de 6,5m est retenu pour la variante en poutre treillis. Les acrotères sont des HEA 100. L’hauteur de ces acrotères arrive au dessus de la couverture au point le plus haut de la toiture.

3.2 Assemblages Si toutes les liaisons sont articulées, le système est instable car il ne peut pas équilibrer les charges, et des déplacements peuvent augmenter sans faire intervenir la résistance des barres. C’est la raison pour laquelle, on prévoit des encastrements aux liaisons poutre-poteaux, et des articulations en pieds de poteaux. En remplaçant des articulations par des encastrements en tête de portique, on réalise une économie sur la quantité d’acier nécessaire pour les barres. En pied de poteau, la solution la plus retenue est une liaison pivot. Cette solution présente en effet, l’avantage de réduire considérablement la quantité de béton nécessaire dans les massifs. Un encastrement en pied de poteau imposerait une grande quantité de béton pour reprendre un moment. On place des « jarrets » aux extrémités des traverses liées aux poteaux car : • les moments de flexion sont les plus élevés dans cette zone. • L’assemblage est plus facile à réaliser, en augmentant ainsi la hauteur de section liée au poteau on augmente le moment résistant.

3.3 Contreventements Les contreventements sont des systèmes qui font descendre les charges horizontales jusqu’aux fondations. Nous retenons le choix des portiques (avec des encastrements en tête de portique) qui sont capables de résister aux charges horizontales agissant dans leur plan. Les ensembles « contreventements de versants et palées de stabilité » sont des systèmes articulés se comportant comme des poutres treillis. Ils sont donc employés afin de résister aux charges agissant perpendiculairement au plan des portiques.

Les diagonales sont des cornières. On ne prend en compte que les diagonales tendues car celles qui sont comprimées ont comparativement très peu de résistance, à cause du flambement. Selon le sens des forces horizontales, c’est l’une ou l’autre des deux branches de chaque croix qui est tendue. L’utilisation des tubes ronds est réservée, lorsqu’une résistance à la compression est nécessaire. 11

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Dans le sens longitudinal, les contreventements de versants (ou poutres au vent) et les palées de stabilité jouent un rôle important vis-à-vis des instabilités des barres de la structure (flambement des poteaux et déversement des poutres) : ils réduisent les longueurs de flambement ou de déversement. Cette stabilité est assurée par des croix de Saint- André (cf. coupes sur plan en annexe). Il existe d’autres solutions pour assurer la stabilité, comme par exemple les contreventements en K, qui amènent des efforts de compression dans certains éléments de stabilité. Cependant la justification de la structure vis-à-vis du séisme, nous oblige à prendre en compte des efforts conséquents. Dans le cas de contreventements en K, cela nous amènerait à des sections bien trop importantes, à cause du phénomène de flambement. Puisque les bâtiments font moins de 50 mètres de long, on dispose d’un seul contreventement de versant, placée au niveau des palées de stabilité le plus souvent. Mais certaines spécificités comme des ouvertures ou des porte à faux, peuvent imposer le décalage d’une palée de stabilité. Pour un bâtiment inférieur à 50 mètres, la position de la palée n’a pas d’importance, ce qui nous laisse la liberté du choix de l’emplacement des palées de stabilité.

3.4 Montage Les poteaux des portiques sont montés en premier. Les contreventements sont assemblés sur les traverses au sol. L’ensemble est levé et assemblé sur les poteaux. L’avantage de cette méthode est d’établir immédiatement une stabilité du bâtiment, afin de monter les autres portiques.

3.5 Bâtiment principal Ci-dessous figure la structure, qui découle des plans de l’architecte. Les bâtiments piscine et cours collectifs se rattachent de part est d’autre de l’ossature principale, qui compose le bâtiment Cardio et détente. Un brise soleil s’appui en toiture entre les files B et C sur le portique principal, ainsi qu’avec un poteau pendulaire file A.

Figure 4: Coupe file 4

` Une des singularités de ce projet est le porte à faux qui se trouve entre les files B et C, qui résulte de l’avancement de la piscine dans le bâtiment. 12

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Des articulations se trouvent au niveau des pieds de poteaux reposant sur la fondation, ainsi qu’au niveau des pieds poteaux du premier étage en file C et E. A l’exception de la traverse du bâtiment piscine qui est articulée en file B, et du poteau pendulaire file A, toutes les liaisons en tête de portique seront des encastrements, calculée selon la NPF 22-460. La structure dispose d’acrotères de faible hauteur (< 50cm).

3.6 Hall de sport 3.6.1 Deux solutions constructives envisageables

6720

7700

La première solution du hall est de proposer des portiques classiques. Ainsi, on répond au cahier des charges du client, puisque des terrains de Badminton se logent dans les deux nefs principales. La petite nef est réservée pour des terrains de squash.

17500

17500

11200

Figure 5: Portique courant du hall de sport

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Figure 6: terrain de badminton

Puisque Espace Loisirs n’est pas un club de badminton, aucune hauteur n’est imposée. Une hauteur de 6,8 mètres a été retenue.

7820

Une idée serait d’éliminer le poteau central, afin de prévoir une évolution future des activités du hall. Ces évolutions peuvent être : • des terrains de tennis • un terrain de football en salle.

35000

11200

Figure 7: Portique en treillis

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La hauteur de la poutre treillis au niveau du poteau est égale à 1/20 de la portée, c'est-à-dire 1, 68m.

hauteur libre h= 7m

6500

6100

La dimension la plus intéressante qui justifie l’intérêt d’une variante treillis est la largeur de 6,1 m. Cette dimension justifie l’intérêt majeur de cette variante du hall. En effet, la largeur du terrain détermine l’entraxe des portiques. On choisit un entraxe de 6,5 m, afin de placer un terrain de Badminton entre chaque portique. Ainsi, les deux variantes ont la hauteur au dessus de l’acrotère.

hauteur libre sous la poutre treillis h= 5,30m

6500

6100

hauteur libre h= 7m

Figure 8: Position des poutres treillis au dessus des terrains de badminton

Figure 9: Terrain de squash

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Pour un court de loisir, une hauteur de 5,25 m est nécessaire. La petite nef possède une hauteur libre de 5,7 m, respectant ce gabarit. Pour la variante du hall, une hauteur de 5,3 m sous la poutre treillis permet de respecter la hauteur libre nécessaire afin pratiquer le squash, sachant qu’une partie de ce hall comportera des terrains de squash.

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4 Stabilité de la structure 4.1 Bâtiment principal, cours collectifs et piscine 4.1.1 Stabilité longitudinale

4.1.1.1 Origines des charges Les efforts sollicitant les contreventements assurant la stabilité longitudinale sont ceux qui proviennent du vent sur pignon, ainsi que du séisme. En ce qui concerne les charges de vent, elles sont estimées à partir de la géométrie des pignons de la structure. On détermine ainsi les surfaces d’influence, qui amènent les efforts aux nœuds des poutres au vent à travers les pannes, et aux planchers. A partir de ces données, on effectue une descente de charge dans les palées de stabilité. L’action sismique et cependant très prépondérante. Nous sommes dans le cas d’un bâtiment à étage, ayant au R+1 et R+2 une charge permanente de 200kg/m², diminuée de moitié, suite au choix de l’utilisation du Cofradal 200 par rapport à un plancher classique, et une charge d’exploitation de 400kg/m². Les masses qui oscillent lors d’un tremblement de terre amènent des efforts considérables dans les palées de stabilité. Le PS92, prend en compte comme masse, la totalité des charges permanentes et 25% des charges d’exploitation, d’où l’intérêt de la mise en œuvre du cofradal 200. Les charges de neiges ne sont pas prises en compte pour des altitudes inférieures à 500m. On détermine ainsi avec une méthode forfaitaire les efforts statiques équivalents qui s’exercent dans les longs-pans. Le calcul effectué n’est cependant pas très précis, mais nous place en sécurité.

4.1.1.2 Conception des contreventements Le choix des contreventements se fait en fonction des spécificités du bâtiment : • fenêtres • Charges sismiques importantes • porte à faux En toiture la stabilité est assurée par des poutres au vent. La poutre au vent du bâtiment principal et du bâtiment cours collectifs, est placée entre les files 5-6, et celle du bâtiment piscine entre les files 3 et 4. Le schéma figurant sur la page suivante, montre la disposition choisie des contreventements en fonction des contraintes que nous impose le bâtiment. Au niveau des planchers nous n’avons pas prévu de contreventement, la dalle considérée rigide assure la stabilité. Dans les longs-pans figurent des palées de stabilité. Comme nous avons pour le bâtiment principal de lourdes charges permanentes dues aux planchers, nous avons fait le 17

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choix, quand nous en avions la possibilité, de doubler les contreventements qui empêchent le déplacement des planchers en file C et F dans les palées de stabilité (cf. schéma page suivante). Les diagonales sont des cornières. On ne prend en compte, dans le calcul, que les diagonales tendues car celles qui sont comprimées n’ont comparativement aucune résistance. Leur élancement étant considérable, elles flambent immédiatement sous un effort de compression. Selon le sens des forces horizontales, c’est l’une ou l’autre des deux branches de chaque croix qui est tendue. Les ensembles « contreventements de versants et palées de stabilité » sont des systèmes articulés se comportant comme des poutres treillis. Ils sont donc employés afin de résister aux charges agissant perpendiculairement au plan des portiques. Les contreventements sont des systèmes qui font descendre les charges horizontales jusqu’aux fondations. Les diagonales sont des cornières en L disposées en croix de saint Andrée. Cette solution est retenue devant les autres dispositions, car elle largement répandue du fait de l’économie réalisée en travaillant les cornières uniquement en traction. L’utilisation des tubes ronds est réservée lorsqu’une résistance à la compression est nécessaire.

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R+1

R+2

Coupe file H

Coupe file 4

Coupe file F

Coupe file C

Coupe file B

Figure 10: Contreventements du bâtiment principal

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4.1.1.3 Stabilité file F

Figure 11: Palée de stabilité file F

• • •

Les efforts de toiture sont transmis par les contreventements au plancher R+2 entre les files 5-6. Les efforts du plancher R+2 sont transmis au plancher R+1 par des contreventements sur deux travées à cause des charges de plancher importantes apportées avec le sismique. Les charges sont transmises également sur deux travées aux fondations.

Comparatif avec et sans le dédoublement des contreventements :

4660 daN

4660 daN

4100

N da 45 6 5

45 56

3000

26 650 daN

26 650 daN 0 88 14

daN 20

aN 0d 00 35

aN 0d 13

22 432 daN

3100

N da

22 432 daN 220 34

daN

21 710 daN

6000

2 26

70

N da 500 0 6

N da

3185 daN

6000

24 895 daN

46 606 daN

46 606 daN

6000

Figure 12: Comparatif avec et sans le dédoublement des contreventements

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On constate bien que le dédoublement des palées de stabilités dans le cas de la file F, amène au niveau des fondations, des efforts deux fois moins importants d’une part. Les efforts dans les barres de contreventement se trouvent également considérablement réduit, ce qui facilite le travail pour la conception des attaches d’autre part. Ces résultats confirment donc bien l’utilité de la solution choisie.

4.1.1.4 Stabilité file B et C Coupe file C

6000

6000

Coupe file B

6000

6000

Figure 13: Palée de stabilité file B et C

• • • •

Les efforts de toiture sont récupérés dans la dalle R+2. Puis cette dalle R+2 transmet les efforts dans la dalle R+1 par les contreventements de la file C. Les charges du plancher R+2 sont transmises au plancher R+1 entre les files 5-6. Ce choix est retenu à cause de l’impossibilité de placer les contreventements entre les files 45 et 3-4. En effet, des fenêtres sont prévues pour ces deux travées. Les efforts rejoignent ensuite les fondations dans deux travées car les charges de plancher sont importantes avec le sismique. Cette solution permet de soulager les fondations. Une porte entre les files 5-6 ne permet pas la mise en place de contreventement.

L’excentrement du contreventement de la file B par rapport à la file C, amplifie la charge provenant de la toiture, qui s’applique au niveau R+2 en file C, et soulage l’effort en file F. La modélisation suivante, du niveau R+2, nous permet de déterminer le coefficient d’amplification. En ce qui concerne le sismique, on modélise la poutre par une charge répartie, ce qui nous permet d’obtenir la largeur d’influence du plancher pour chaque palée de stabilité.

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C

B F

0,21.F

1,21.F P

7,64.P

11,76.P 16,000 19,400

3,400

Figure 14: Charges horizontales entre les files F et B

4.1.1.5 Stabilité file H En file H, la palée de stabilité ne se trouve pas entre les files 5-6, en raison de la présence d’une ouverture. Elle se compose d’une simple croix de Saint-André.

4.1.1.6 Stabilité Long-pan bâtiment piscine En ce qui concerne la stabilité au niveau du long-pan du bâtiment piscine, l’architecte avait souhaité que le contreventement ne soit pas réalisé en croix de Saint- André, en raison de la présence de vitrage en façade. Nous avons donc proposé, de mettre en œuvre un portique placé entre les files 3 et 4. La vue 3D qui figure ci-dessous, illustre cette solution technique avec les coupes sur poteau, qui montrent les différentes sections de profilés que nous avions envisagées. Il s’agit pour l’une, de souder de part et d’autre des poteaux, une poutrelle en demi-IPE. Seule l’inertie de la section qui se compose des deux demi profils est prise en compte. Le fait de prendre en compte l’inertie du poteau de portique n’apporterait qu’un gain minime, au niveau du calcul. Cette solution n’est cependant pas simple à mettre en œuvre, elle poserait quelques problèmes lors de la fabrication, et notamment pour la mise en position, ainsi que le maintient en position des profilés lors du soudage. Une autre solution possible aurait été de réaliser, le poteau du portique de stabilité en PRS (profilé reconstitué soudé), et de prendre en compte l’inertie du poteau de portique transversal. Pour calcul, on considère la section du profilé laminé seule, vis-à-vis des actions qui sollicitent le portique transversal. Dans le cas d’un vent sur pignon on considère la section totale du poteau. La section en I, travail donc en flexion bi-axiale avec un effort normal de compression. Cette conception n’est également pas facile à réaliser. Une troisième éventualité, plus simple, pourrait être de dissocier les deux poteaux, et de les lier entre tête de portique, par un assemblage boulonné. Cette solution présente l’avantage de permettre un réglage de l’angle sur chantier.

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Figure 15: Contreventements de la piscine

Coupe sur poteau

Figure 16: Coupe sur poteau

En supposant que les châssis vitrés le permettent, le portique doit permettre un déplacement en tête qui peut être de l’ordre du 300ème de la hauteur au maximum. Cela nous amène : • une inertie équivalente à celle d’un IPE 450 pour les poteaux • un IPE 360 pour la traverse. Après des discussions avec l’architecte, nous avons décidé de réaliser tout de même un contreventement en croix de Saint-André. Ce point singulier se caractérise également par la présence d’un bracon au niveau de la poutre au vent. Cet élément doit être capable de reprendre des efforts de compression. Pour cette raison nous avons opté pour une section tubulaire, disposant d’un meilleur comportement vis-à-vis du phénomène de flambement.

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4.1.1.7 Conception et calcul des attaches Hormis le bracon, qui se situe dans la poutre au vent du bâtiment piscine, tout le contreventement est réalisé en croix de Saint-André. Le principe des assemblages est donc le même dans chaque poutre au vent et palée de stabilité. Détails d’assemblages aux nœuds des poutres au vent :

Figure 17: Assemblages aux noeuds des poutres au vent

Les efforts du vent s’exerçant sur les pignons sont acheminés via les pannes, et doivent être retransmis aux éléments de contreventement. Nous avons donc décidé de mettre en place une platine boulonnée entre la traverse et les pannes. Cette solution est économique car elle évite d’effectuer la moindre soudure. Platines centrales des poutres au vent :

Figure 18: Platines centrales des poutres au vent

Les cornières de contreventement sont fixées au centre par une platine. D’un point de vue esthétique, celle-ci permet d’éviter que les barres de contreventement ne se déforment de trop sous leur propre poids quand elles ne sont pas en tension. La seconde fonction de cette platine est d’assurer également la fixation des liernes. Cette disposition permet d’admettre pour le calcul des traverses, que la longueur de déversement de l’aile supérieure de celle-ci, est égale à l’entraxe des pannes. 24

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Assemblages des éléments de stabilité en tête de portique :

Figure 19: Assemblages en tête de portique

Au niveau des têtes de portique, nous avons un nœud auquel doit aboutir la barre de contreventement, qui se situe dans le plan de la toiture et celle qui situe dans la palée de stabilité. En toute logique, pour éviter l’apparition d’un moment parasite, il faut que l’axe de la panne qui joue le rôle du dernier montant de la poutre au vent, celui de la traverse, du poteau, ainsi que ceux des éléments de stabilité se confondent en un même point. Dans notre cas il n’est cependant pas possible de respecter ce principe. Nous avons donc fait le choix de désaxer légèrement la panne. Le contreventement de toiture est lié au poteau par l’intermédiaire d’une platine boulonnée entre la panne et la coiffe du poteau. Pour fixer les cornières de la palée de stabilité, on soude un gousset sur l’âme du poteau. Assemblages en pied de poteau :

Figure 21: Coupe du pieds de poteau Figure 20: vue d’un pieds de poteau

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En ce qui concerne les assemblages en pied de poteau, les crosses d’ancrage sont disposées au nombre de quatre pour éviter l’apparition d’un effort de torsion dans le poteau. Elles ne doivent pas être trop éloignées les unes des autres, dans le sens de l’inertie forte du poteau. Ainsi, on respecte au mieux la modélisation de l’articulation pour les calculs. Comme en tête de portique, les cornières de contreventement sont liées au poteau, par l’intermédiaire d’un gousset soudé sur la platine et l’âme du poteau. Assemblages des palées de stabilité sous plancher (File C et F) : Les croix de Saint-André des palées de stabilité des files C et F situées sous les planchers, reprennent des efforts très importants sous l’action sismique. La section résistante des contreventements se compose de deux cornières. On obtient donc deux plans de cisaillement pour les boulons, ce qui permet de réduire leur quantité par deux pour un même diamètre.

Figure 22: Assemblages sous plancher

L’assemblage représenté ci-dessus, est réalisé par l’intermédiaire d’une platine sur laquelle on soude un gousset. Cette solution, qui fut envisagée dans un premier temps, n’est pas la plus économique, ni la plus facile à mettre en œuvre. La mise en place de raidisseurs pour éviter le décollement de la semelle du buton s’avère indispensable. Il se produit un moment secondaire dû à l’excentrement des boulons dans la semelle. L’épaisseur de l’aile du profilé assemblé est trop faible devant l’effort qui doit être transmis.

Avec raidisseurs

Sans raidisseurs

Button

Raidisseurs ep.10mm Décollement de la semelle

10Bls HM20 8.8 PL ep.20mm

Poutre de plancher

Figure 23: Assemblages avec/sans raidisseurs

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Contrairement aux platines de contreventement en toiture, qu’on préfère boulonner et non soudé par soucis économique et de simplicité, il est plus avantageux de souder le gousset directement sur l’aile du profilé. Dans ce cas, il faut vérifier que la longueur du cordon de soudure suffise pour reprendre l’effort transmis.

Calcul de la soudure du gousset :

Pour le calcul des soudures, on considère la section du plan médian de celle-ci, définie par la gorge de la soudure a, et sa longueur l. On distingue trois contraintes : • σ┴ qui une contrainte normale au plan médian • τ ┴ et τ // qui sont des contraintes tangentielles. La formule fondamentale qui permet d’effectuer la vérification des soudures selon la norme NFP 22-470 provient du critère de Von Mises :

K σ ⊥2 + 3.(τ ⊥2 + τ //2 ) ≤ σ e

et σ ≤ σ e

Où K est un coefficient minorateur qui dépend de la nuance d’acier des pièces assemblées. On constate que le rapport σe/K reste sensiblement le même pour les différents types d’aciers utilisés. Dans le cas du gousset de contreventement, nous avons un effort F qui s’exercent selon un angle α. Dans un premier temps, on détermine les projections des efforts sur le plan moyen de la section résistante de la soudure.

Figure 24: Gousset de contreventement

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F⊥ = F sin α

On a : Contrainte tangentielle due à F // :

et

F// = F cos α

τ // =

F// F cos α = 2.a.l 2.a.l

Contraintes dues à F┴ :

F⊥2 F sin α = 2.a.l 2. 2.a.l

Contrainte tangentielle :

τ⊥ =

Contrainte normale :

F F sin α σ ⊥ = ⊥1 = 2.a.l 2. 2.a.l

On obtient donc

σ⊥ =τ⊥

F

F 45°

F

1

2

La vérification se fait en utilisant la formule fondamentale de Von Mises : K σ 2 + 3.(τ ⊥2 + τ //2 ) ≤ σ e

et σ ≤ σ e

 2.F ² sin ²α 3F ² cos ²α   ≤ σ e2 K 2  + (2.a.l )²   (2.a.l )² La norme NFP 22-470, cette vérification au calcul suivant :

Ct.

F ≤σe 2.a.l

avec C t = K . 3 − sin ²α

Ct est un coefficient obtenu après simplification de la formule fondamentale de l’article 1.3, dépendant de la nuance d’acier ainsi que de l’angle α.

On peut néanmoins se dispenser de cette vérification en utilisant la formule simplifiée de l’article 1.6, qui conduit le calcul en supposant un cordon de soudure latéral : K . 3.

F ≤σe 2.a.l

Cependant, cette vérification peut ne pas être suffisante si l’axe par lequel transit l’effort n’est pas confondu avec le centre de gravité de l’assemblage. Il faut dans ce cas, tenir compte d’un moment secondaire M=δ.F, appliqué au centre de gravité de la soudure.

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Figure 25: Excentrement du gousset de contreventement

La distribution des contraintes dues au moment se fait linéairement. On reste en élasticité pour ce calcul pour des raisons de sécurité, sachant que le coefficient K diminue d’office les contraintes. Le module de résistance de la soudure est pris égal à : I v = 2.

a.h 3 12

h a.h 2 = 2 3

Le moment M va développer une contrainte σ, qui se décompose en deux états de contraintes σ ⊥ et τ ⊥ . Par le calcul cela nous donne :

σ=

M 3.δ .F = I v a.h 2

⇒ σ⊥ =τ⊥ =

3.δ .F 2 .a.h 2

On injecte ensuite ces contraintes dans la formule générale et on obtient :

 2.F ² sin ²α 3F ² cos ²α 18.δ 2 .F 2   ≤ σ e2 K 2  + + 2 2  (2.a.l )² (a.h )   (2.a.l )²

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4.1.2 Stabilité transversale Les portiques sont auto stables dans le sens transversal. Cette stabilité est assurée pour les portiques complexes comme dans la file 3 et 4, par un ensemble de nœuds rigides. Tous les poteaux sont articulés en pied, ils ne participent donc pas à la stabilité de la structure. Les façades en pignon sont des pans de fer. Ce sont des structures à nœuds fixes, dans lesquelles aucune barre n’est encastrée. L’avantage de ce système, est de pouvoir réduire la taille des profilés, sachant que la bande de charge en pignon est divisée par deux. La solution consistant à placer un portique est donc écartée car elle est moins économique. L’inconvénient de ces pans de fer est la présence des contreventements qui contraint l’emplacement des fenêtres. Le pignon de la file 2 comporte une large ouverture destinée à une porte coulissante. Cette particularité impose de placer les croix de saint Andrée de part et d’autre de l’ouverture. Le pignon de la file 1, un peu particulier utilise en partie des tubes pour le contreventement. Ces tubes nécessitent donc une vérification à la compression.

4.2 Contreventement du Hall de sport Dans le sens transversal, nous avons des portiques auto stables. • Les jarrets assurent cette stabilité pour la solution avec un poteau central. • Dans la variante, c’est la poutre treillis qui assure cette stabilité. La stabilité longitudinale est réalisée classiquement avec une poutre au vent, au milieu de la construction, et des croix de Saint-André dans les longs-pans. Nous avons gardé des solutions techniques similaires pour assurer la stabilité de ce bâtiment. Pour cette raison, ce paragraphe ne sera pas développé comme le précédant. La position de ces éléments figure sur les plans situés en annexe.

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5 Couverture et bardage 5.1.1 Couverture Composition : • • •

Bac acier 5 cm Isolation en laine de roche rigide 13 cm Etanchéité multicouche 2 cm

Figure 26: Couverture

5.1.2 Bardage Composition : • • • •

Plateau de bardage Isolation Ecarteur verticaux en Z Bardage horizontal

Figure 27: Bardage

Les plateaux disposent d’une rigidité qui leur permet de porter sur 6 m. la mise en œuvre d’écarteurs s’imposent pour la pose du bardage horizontal, et permet par ailleurs de réduire les ponts thermiques. Cette solution nous permet également d’avoir un degré pare flamme et coupe feu de 30 minutes. 31

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5.1.3 Points singuliers

5.1.3.1 Acrotères

Figure 28: Détail d’un acrotère

6 Planchers Le bâtiment principal Cardio et Détente dispose de deux étages : ` • le premier étage a un espace de détente avec notamment des SPA (Jacuzzi) impliquant des fortes charges localisées. • le deuxième étage a une salle de fitness. L’usage de ces étages définit les charges d’exploitations s’élevant à 400 kg/m². Des dispositions particulières doivent être retenues en ce qui concerne la capacité du plancher à être : • Apte à empêcher l’élévation de la température de la face non exposée à l’incendie (coupe feu pendant 30 mn) • Apte à empêcher le passage de flammes et de gaz chauds (pare flamme). Les planchers de type bacs acier sont réputés performants sur ce point de vue. Cependant les poutres de plancher devant rester apparentes, celles-ci vont devoir faire l’objet d’un calcul de résistance au feu. Tenant compte du mauvais comportement de l’acier vis-à-vis de feu, nous avons fait le choix de ne pas mettre en œuvre de solives intermédiaires, c’est-à-dire de laisser les bacs acier porter sur 6 m, équivalent à la longueur d’une travée. 32

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Nous avons fait le choix d’étudier deux solutions avec bacs acier qui se présentent à nous : 1. Bacs aciers collaborant type Cofrasta 70 Les bacs collaborants type Cofrasta 70, convient particulièrement aux planchers recevant de fortes charges, et dont les portées peuvent atteindre plus de 6 m. Les bacs acier disposent de nervures crantées, qui permettent d’obtenir une adhérence entre la sous-face du bac et le béton.

Figure 29: Bac collaborant

Ce type de plancher dispose d’un avantage supplémentaire pour la réalisation de faux plafond. Il existe en effet des accessoires (Clips cofrafix) permettant de se fixer directement au bac sans effectuer de perçage. Cependant, cet aspect n’entre pas en ligne de compte dans le choix du plancher, puisque le bac doit rester apparent. Etant donné son apparence peu esthétique, sa géométrie ne joue pas en sa faveur. Selon l’avis technique d’Arval, et d’après les charges que reprennent les planchers, nous obtenons une épaisseur de dalle d’environ 20 cm. Par conséquent, le tableau ci-dessous donne une charge permanente s’élevant 394 daN/m². Tableau 1: Consommation nominale de béton

Pour ces différentes raisons, nous avons choisis de nous intéresser au nouveau type de plancher Cofradal 200, qui est présenté dans le paragraphe suivant.

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2. Planchers mixtes Cofradal 200 Le cofradal 200 est un nouveau type de plancher mis au point par Arval. La section composite de ce produit intègre 140 mm d’isolant en laine de roche. Cet isolant permet d’obtenir de bonnes performances thermiques et acoustiques. Avec une épaisseur de 20 cm, le poids du plancher est nettement réduit en comparaison avec un produit classique tel que le Cofrasta 70. De plus, ce plancher peut reprendre des charges 400 kg/m² sur des portées de 6 m sans continuités.

Poids (daN/m²)

Cofrasta 70 Cofradal 200 394 200

Ce nouveau type de plancher mixte acier-béton, se présente sous deux versions : -

La version bétonnée, qui prévoit la préfabrication en atelier La version PAC (prêt à couler), pour une mise en œuvre du béton sur site

Figure 30: Cofradal 200

L’avantage de la version bétonnée est la possibilité de réduire les temps de travaux sur chantier. Cependant, ce choix nous poserait des problèmes pour la mise en place des gaines techniques, n’ayant pas de faux plafond. Dans le cas d’utilisation d’éléments préfabriqués, il est prévu de mettre en œuvre un mortier sans retrait pour le clavetage de chaque élément. Le revêtement de sol doit être souple et nécessite donc pas la réalisation d’une chape. Cependant, le plancher supporte des actions pseudo dynamiques avec des cours de fitness. On risque d’avoir une mauvaise tenue dans le temps de ce mortier. Pour ces différentes raisons, notre choix s’oriente plutôt vers la version PAC. Ce produit étant récent, il n’y a pour l’instant aucune référence dans la région. Cette solution est davantage répandue dans le sud de la France. Nous avons donc décidé d’organiser une visite en présence de l’architecte et du client. Cette visite a eu lieu dans l’usine Arval de Strasbourg qui fabrique ce type de plancher. L’objectif de cette visite était d’obtenir des renseignements supplémentaires, et notamment de pouvoir voir en réalité ce produit, afin d’obtenir l’aval de l’architecte et du maître d’ouvrage.

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7 Hypothèses de charges 7.1 Charges permanentes •

Couverture (bac + isolant + étanchéité) :

•

Plancher mixte cf. avis technique Arval (cofradal 200) :

35 daN/m² 200 daN/m²

7.2 Charges d’exploitations •

Plancher bac acier (R+1 et R+2) cf. NFP 06-001art.2.7.2.3 :

400 daN/m²

7.3 Charges de vent Détermination de la pression dynamique de base - Pression dynamique de base :

L’espace loisirs se situe à Strasbourg. Nous nous situons donc en Zone 1. Selon la norme nous obtenons les pressions suivantes, pour une hauteur définie à 10 m du sol : -

pression dynamique de base normale : 50 daN/m² (vent de 103 km/h) pression dynamique de base extrême : 87,5 daN/m² (vent de 136,1 km/h)

N.B. Nous avons un rapport de 1,75 entre la valeur de pression normale et extrême. On peut également signaler que pour définir la pression dynamique de base à partir de la vitesse du vent, le règlement fait référence à la formule de Bernoulli avec : q=ρ Avec :

V² 2. g

- ρ, la masse volumique de l’air à 15°C (1,225 daN/m²) - V², la vitesse du vent en m/s - g, l’accélération de la pesanteur m/s² prise égale à 10

Ce qui nous amène à la formule suivante, qui vérifie les pressions dynamiques de bases : V² q= 16,3 35

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La hauteur de la structure principale sera de 10,20 m, le règlement prévoit une modification des pressions dynamiques de bases :

qh H + 18 = 2,5 × q10 H + 60 Avec :

- H, étant la hauteur du bâtiment - q10, la pression dynamique à 10 m de hauteur.

Cette formule n’a donc pas d’application dans le cas présent la pression dynamique restant à 50 daN/m² pour la valeur normales et de 87,5 daN/m² pour la valeur extrême.

Il est important de signaler qu’aux alentours du site de construction, nous avons un terrain en plaine. Dans le cas contraire avec une présence de fortes dénivellations, la correction de la pression due à la hauteur ne serait pas la même.

- Effet de site :

Le règlement NV65 prévoit également l’application d’un « coefficient de site » ks qui permet de tenir compte de la nature du site d’implantation de la construction. Trois types de sites sont considérés : -

Site protégé Site normal Site exposé

Nous sommes dans le cas d’un site normal qui considère une plaine ou un plateau de grande étendue présentant des dénivellations peu importantes. Donc ks=1. Le cas d’un site dit exposé est réservé pour des zones en bordure de mer ou en montagne. - Effet de masque : Un effet de masque serait à prendre en compte si le bâtiment pouvait être protégé partiellement ou totalement par des constructions avoisinantes. Cet effet peut se traduire de deux manières. Dans un premier cas, le bâtiment est protégé par les constructions avoisinantes. On peut alors réduire les pressions de 25%. Dans un second cas, le bâtiment se trouve dans une zone de turbulence, crée par les constructions adjacentes. Dans ce cas, seul les essais en soufflerie permettent de nous renseigner sur les effets du vent. Dans notre cas, un effet de masque n’est pas à prendre en compte.

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- Effet de dimensions : Le règlement tient compte d’un effet de dimension, qui s’introduit par un coefficient δ tenant compte de la plus grande dimension offerte au vent de l’élément étudié. Ce coefficient permet de réduire les pressions, il prend en compte la répartition statistique des pressions sur une surface. La pression maximale se situe au centre, où les lignes de courant sont déviées à 90°, et elle a tendance à diminuer sur les bords. On a donc sur une grande surface peu de chance d’avoir partout la même pression, le vent s’exerçant par rafales. Ceci justifie la diminution des pressions avec l’augmentation des dimensions. La détermination de ce coefficient se fait avec le tableau suivant situé à l’article 1,244 du NV65.

- Coefficient dynamique : Ce coefficient (kd) ne concerne que les IGH (immeubles de grande hauteur), qui sont sensibles aux oscillations dues aux rafales qu’exerce le vent. Il ne nous concerne donc pas (kd=1).

-

Expression finale de la pression dynamique :

Après avoir définit tous les coefficients qui permettent de prendre en compte les différents effets provoqués par le vent, on peut calculer la pression dynamique corrigée q rn avec les différents coefficients d’amplification ou de réduction. On a : q rn = q10n .δ .ks.kd q re = q10e .δ .ks.kd Avec des valeurs limites :

30 ≤ q rn ≤ 170 daN / m ² 52,5 ≤ q re ≤ 297,5 daN / m ²

- Conclusion Toute cette démarche décrite permet uniquement de définir la pression dynamique s’exerçant sur la construction sous l’effet du vent. La prochaine étape est de définir la pression théorique qui s’exerce sur le bâtiment. Il s’agit d’amener des coefficients de pression sur l’enveloppe du bâtiment. Ces coefficients dépendent de sa géométrie.

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Action du vent sur la construction

Nous sommes ici dans le cas d’une construction prismatique à base quadrangulaire, ce nous conduisant à appliquer le paragraphe 2 du NV65. Les différentes pressions qui vont être définies seront uniquement relatives à la géométrie du bâtiment et se calculeront à partir de la pression dynamique de base établie précédemment.

- Coefficient γ0 Ce coefficient est représentatif de l’élancement du bâtiment et de ses dimensions au sol. Il permet de définir les différents coefficients de pression sur chacune des faces du bâtiment. Il sert à tenir compte de l’influence de la géométrie du bâtiment sur les phénomènes de turbulences liées aux lignes de courant du vent. Il se détermine à l’aide du tableau qui figure à l’article 2,12. du NV65. Les valeurs obtenues sont les suivantes : -

Vent sur long-pan : γ a = γ 0 LP = 0,86

-

Vent sur pignon : γ b = γ 0 P = 0,85

- Coefficients de pression extérieurs et intérieurs Ces coefficients donnés par le règlement, sont issus de valeurs expérimentales obtenues au court de différents essais. Certains sont fixés, d’autres sont exprimés en fonction de γ0, soit par de simples formules, soit dans des abaques. Il y a uniquement le bâtiment prévu pour les cours collectifs, qui dispose d’une ouverture en pignon qui atteint les 35% en pignon. Le restant des parois sont considérées fermées (µ