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LES ELEMENTS DE LA STRUCTURE

Le travail de conception et les choix techniques résultent de la combinaison des contraintes techniques et de la connaissance des archétypes structurels. La richesse potentielle des solutions structurelles, explique leur rôle stimulant dans la conception architecturale et la ressource d'innovation et de développement qu'elles peuvent représenter. La recherche du choix structurel doit constituer un des supports de l'imagination et de la créativité architecturale.

Les poteaux

On parle de poteaux pour les éléments verticaux. Le terme de bielle concerne des éléments en biais qui reprennent aussi des efforts horizontaux. Les extrémités des bielles sont toujours articulées. On utilise également les termes de jambe de force, de butons ou de bracon. Les termes de fût et de pile concernent quant à eux des éléments encastrés en base, libres en tête.
Les poteaux doivent reprendre des efforts de compression, de flexion due au vent et résister au flambement. Leur section doit présenter une bonne rigidité à la compression dans toutes les directions et en particulier suivant leurs axes principaux. Les poteaux constituant les montants de portique sont également sollicités en flexion.

Les types de poteaux et de bielles possibles sont

  • les profilés en I ou en H ;
  • les tubes de section circulaire, carrée, elliptique ou demi-elliptique ;
  • les poteaux reconstitués par laminés assemblés ;
  • les caissons.
  • les poteaux treillis.

D'autres solutions sont possibles en combinant des profils divers pour réaliser des sections variables composées par association de tubes et de profilés.

Les points porteurs

La question de l'optimisation du nombre de points porteurs se pose toujours au moment de la conception et de la prise en compte du programme. Au regard de l'aménagement des espaces, les poteaux sont toujours jugés comme des obstacles qu'il convient de limiter le plus possible. Les trames classiques sont de l'ordre de 4,5 à 6 m pour des logements. Construire avec de grandes portées (par exemple 12 à 18 m pour des bureaux ou 15 à 16 m pour des parkings) est intéressant pour dégager de grands plateaux libres. Il faut alors prendre en compte la hauteur plus importante des poutres et l'éventuel surcoût engendré par leur fabrication, leur transport et leur assemblage. L'utilisation de poutres alvéolaires permettant le passage des gaines et des fluides offre cependant une solution alternative intéressante. À noter qu'une ossature en acier permet de limiter le poids du bâtiment et donc de réduire l'importance des fondations.

L'assise du poteau sur les massifs de fondation

La charge de compression peut être transmise au béton de fondation par une simple platine soudée à l'extrémité inférieure du poteau pour bien répartir les pressions sur le béton. Les renforcements latéraux (goussets) permettent de mieux répartir la contrainte. Les formes de la platine et du socle en béton doivent être soigneusement étudiées pour éviter des rétentions d'eau qui provoquent la corrosion des aciers : percements d'écoulement, pente... Ce soin technique participe au fini architectural et à la qualité de ses détails. Des ancrages dans le béton sont nécessaires pour maintenir le poteau en position et résister aux éventuels efforts d'arrachement.

En général, l'entreprise de gros-œuvre implante des réservations, l'entreprise de construction métallique met en place avec une précision de l'ordre du millimètre le système d'ancrage et le béton est coulé ensuite. Ce n'est qu'après contrôle que le poteau et sa platine sont positionnés.

Les suspentes et les tirants

Comme un poteau, une suspente transmet une charge suivant son axe longitudinal. Cependant, à l'inverse du poteau qui travaille à la compression, une suspente transmet une charge en travaillant uniquement en traction simple. Les tirants, haubans et câbles reprennent des efforts de traction ayant une composante verticale et une composante horizontale. Ils peuvent présenter une section quelconque, n'étant pas sujets au flambement. On utilise de préférence les sections dont l'attache en extrémité est la plus facile

  • ronds pleins, pouvant être filetés pour l'assemblage par écrous
  • plats ou cornières percées, assemblés par boulons ;
  • câbles ;
  • profils creux comportant une platine d'attache soudée en bout.

Une suspente peut être préférée à un poteau pour des raisons fonctionnelle; d'encombrement ou architecturales, par exemple pour tenir une poutre et franchir un espace sans point d'appui.

Les poutres

Les poutres sont des éléments la plupart du temps horizontaux qui doivent reprendre essentiellement des efforts de flexion. Leur section doit par conséquent présenter une inertie adaptée dans le sens de la flexion et donc une certaine hauteur. La flexion comporte une composante de traction et une composante de compression que l'on retrouve aux extrémités de chaque section. Ces efforts transmis dans les membrures hautes et basses sont d'autant plus faibles que la hauteur de la poutre est plus importante. Schématiquement, doubler la hauteur de la poutre divise par quatre les efforts auxquels elle est soumise. La section des membrures est par conséquent capitale pour calculer le poids d’acier à utiliser. Cette caractéristique très importante pour les poutres en treillis usuelles se retrouve dans les structures spatiales.
On parle non seulement de poutre, mais aussi de panne, de chevron, de traverse, de linteau, de limon, de raidisseur, de poutre au vent, de console, de porte-à-faux, de cantilever, etc.

La poutrelle

Les poutrelles en acier sont diversement utilisées dans le bâtiment. Dans les cas courants de charges et pour des portées moyennes de l'ordre d'une dizaine de mètres environ, les profilés courants en I et en H constituent des poutres bien adaptées. Il est par ailleurs facile de liaisonner l'ossature secondaire de planchers, des façades et des couvertures sur les ailes des profilés en I ou en H. La poutre qui travaille essentiellement en flexion verticale a pour fonction principal de constituer la structure des planchers et des couvertures et leur faire franchir des espaces et des vides.

La poutre reconstituée soudée (PRS) H3
A partir de tôles, de larges plats ou de plaques, on peut obtenir des poutres symétriques ou dissymétriques, de hauteur et de largeurs d'ailes constantes ou variables en soudant les pièces, à savoir les ailes et l'âme, les unes aux autres. Ainsi on conçoit de façon optimale une poutre en fonction des efforts qu'elle est censée reprendre. Ce type de poutre est particulièrement intéressant quand la portée augmente car la hauteur de poutre nécessaire devient alors plus importante. On peut aussi obtenir des poutres caisson de section carrée, rectangulaire ou trapézoïdale avec deux âmes soudées dont la rigidité est encore plus grande et peut être encore renforcée par des raidisseurs intérieurs. Ce type de poutre est souvent utilisé dans les ponts.

L'intérêt des PRS est de pouvoir affiner l'épaisseur de l'âme et des semelles et donc de gagner du poids en optimisant la section par rapport aux efforts qui y transitent, de constituer plus facilement des profilés cintrés et d'associer, le cas échéant, des nuances d'acier différentes dans la même poutre. Les efforts de flexion et donc les besoins en section ne sont généralement pas constants le long d'une poutre. Pour une optimisation de la matière, on peut réaliser des PRS dites à inertie variable.
Ces poutres sont couramment utilisées notamment pour des profils dont la hauteur est supérieure à 400 mm. La plupart des entreprises de construction métallique sont équipées de bancs de soudure qui permettent de les fabriquer automatiquement.

La poutrelle alvéolaire ou ajourée

Les poutrelles ajourées, appelées aussi poutrelles alvéolaires, sont obtenues à partir de laminés courants découpés en demi-poutrelles dont l'âme est elle-même découpée en cercle ou hexagones ; elles sont ensuite reconstituées par soudage. Ceci permet d'alléger le poids et surtout de faciliter le passage des gaines et des fluides dans la hauteur de la poutre. Elles sont donc particulièrement intéressantes pour les immeubles de bureaux en permettant des portées de 20 mètres en solution mixte acier-béton.

ConstruirAcier est une association loi 1901 dont l'objectif est de promouvoir l'architecture et la construction métallique. Représentant l'ensemble de la filière acier, elle a vocation à faire connaître les atouts de l'utilisation des aciers auprès des architectes, bureaux d'études, ingénieurs, enseignants, étudiants et dans les ouvrages de construction de bâtiments et de travaux publics.