La construction en acier fait partie des solutions utilisées depuis plusieurs décennies dans le BTP. Revenue à la mode depuis peu, elle était notamment fortement employée dans les années 1960. Rappelant le système de l’ossature bols, cette structure métallique se répartit entre avantages et inconvénients. un inconvénient maj Le premier inconvéni perte de résistance ? or 12 Sni* to w nextÇEge ncerne toutefois sa ce fait, la survenue d’un incendie peut entra ner des problemes de stabilité et donc de sécurité.
Pour y remédier, il peut être appliqué une peinture ignifuge. Chaque structure métallique peut également être recouverte de matériaux ininflammables tels que le plâtre. Cette solution est aujourd’hui la plus courante lors de la construction d’une maison indlviduelle. Les constructions métalliques constituent un domaine important d’utilisation des produits laminés sortis de la forge. Elles emploient, en particulier, les tôles et les profilés.
Les structures constituées à partir de ces éléments nécessitent des opérations préalables de découpage, de perçage et de soudage en usine. de mettre en valeur les qualités suivantes : la légèreté, la rapidité e mise en œuvre, l’adaptation aux transformations ultérieures et les propriétés mécaniques élevées (limite élastique, ductilité, résistance à la fatigue). Les domaines d’application des constructions métalliques sont très nombreux. Ils concernent d’abord les bâtiments et les ouvrages d’art (ponts, grandes couvertures).
Dans le cas des bâtiments, les halles industrielles (fig. 1) lourdes (aciéries) ou légères (usines de transformation ou de stockage) constituent un secteur où l’emploi de l’acier est fréquent pour la réalisation des ossatures et des bardages recouvrant celles-ci, et pour l’utilisation e ponts roulants. Même dans les pays en développement, les charpentes Industrielles se montrent compétitives, grâce à la facilité du montage et de l’expédition des éléments constitutifs par voie maritime ou terrestre.
Les tours d’immeubles, nombreuses aux États-Unis, ont mis en lumière l’intérêt de la rapidité du montage, qui permet d’économiser des frais financiers importants par rapport à des solutions plus traditionnelles. Les ponts et les passerelles forment un secteur de pointe dans lequel on distingue les ponts suspendus de grande portée et les ouvrages démontables ou déplaçables. Plusieurs réalisations revêtent un caractère spectaculalre : pont sur le Bosphore ? Istanbul, pont Verrazano à New York, pont Akashi-Kaikyo reliant la ville de Kobe à celle d’Awaji (Japon).
Les produits de base L’acier est livré au constructeur sous forme de profilés. Ceux-ci comportent des profilés normalisés, IPE ( 12 est livré au constructeur sous forme de profilés. Ceux-ci comportent des profilés normalisés, IPE (profil européen en forme de l), utilisés pour les éléments sollicités en flexion, HE (en forme de E), utilisés pour ceux qui sont sollicités en compression,
LIPN (en forme de U), permettant de reconstituer des profils, des cornières en forme d’équerre, à ailes égales ou inégales, sewant à constituer les parties élémentaires des poutres triangulées des fermes industrielles, des tubes servant aux constructions tubulaires spatiales ou non. Les gammes de fabrication et les tableaux de normalisation montrent que certaines dimensions ne peuvent être dépassées. Par exemple, le profil IPE 500, dont la hauteur est de 500 milllmètres, est celui qui est placé en sommet de gamme.
Au-delà de cette dimension, sauf fabrication particulière, il est ossible de se procurer des poutrelles reconstituées soudées (hauteur maximale de 1 200 mm à 1 500 mm), fabriquées en atelier grâce à des machines à souder semi-automatiques réalisant les cordons latéraux de jonction « semelles âmes ». es systèmes d’assemblage Liassemblage des profilés en tôle nécessite des fixations permettant de transmettre les efforts supportés par la structure.
Parmi les systèmes actuellement développés en charpente métallique, on peut citer : les assemblages avec broches et fonctionnement par frottement des éléments en contact. Le rivetage et le boulonnage essortissent à cette catégorie ; – les assemblages avec soudure des éléments du contact. La continuité est assurée grâce au dépôt de métal à chaud. – • Le 19 soudure des éléments du contact. La continuité est assurée grâce au dépôt de métal à chaud.
Le rivetage et le boulonnage Le rivetage à chaud consiste à introduire, dans un trou préalablement fait dans les tôles à assembler, un cylindre ayant une tête arrondie, chauffé au rouge, puis à écraser la partie sans tête de manière à agrafer les tôles. Cette opération nécessite un tour de main particulier, et la technique du rivetage, étant onné le manque de main-d’œuvre spécialisée dans ce métier, n’a plus l’importance qu’elle avait au début du XXe siècle.
Les tôles assemblées ne sont pas traitées dans la zone de contact et les problèmes de corrosion, si les rivets ne sont pas assez rapproches, sont difficiles à combattre faute d’entretien. Il faut également signaler l’impossibilité de démonter un assemblage sans détruire les rivets. Les boulons ont avantageusement remplacé les rivets car ils ne nécessitent que des opérations mécaniques de serrage. La diversité des épaisseurs à assembler ans une ossature conduit à de nombreux types de boulons. Il en résulte un coût élevé de ce type d’assemblage.
Deux types sont à distinguer (fig. 2) : le premier correspond au cas où l’effort sollicitant l’assemblage est perpendiculaire à l’axe du boulon, et la résistance est assurée par le frottement des zones en contact jusqu’à une certaine limite conduisant soit à la rupture des boulons, soit à l’arrachement de la tôle la plus mince si celle- ci est trop faible par rapport au diamètre de boulon. Le second correspond au cas où l’effort sollicitant la tête assemblée est parallèle ? 2 econd correspond au cas où l’effort sollicitant la tête assemblée est parallèle à l’axe des boulons.
Il s’agit là d’un assemblage ? brides mettant en jeu la capacité d’extension des boulons et la souplesse des platlnes assemblées. pour augmenter la résistance des frottements des surfaces assemblées, il est utile de procéder à un serrage contrôlé à la clé pneumatique. Ces boulons sont désignés sous le vocable H. R. (haute résistance) en raison des performances mécaniques élevées de l’acier constitutif des boulons. Grâce à un sablage préalable des zones en contact, on peut augmenter de 50 p. 00 la résistance au frottement.
Un tel traitement conduit à prévoir une protection anticorrosion dès la fin de l’assemblage. La procédure de serrage a une grande importance si l’on veut être certain de la longévité des couples de serrage. Celle-ci comporte en général une première opération, dite d’accostage, puis un serrage définitif , l’ordre de serrage des différents boulons est parfaitement déterminé. L’intérêt des boulons A. R. réside dans la rapidité de montage et dans la possibilité de démontage. De plus, en cas de soudure, un préassemblage par boulon permet de positionner les pièces.
Des ouvrages importants utilisent cette technique : citons le pont Masséna sur le boulevard périphérique de Paris qui a nécessité l’emploi de plus de IO 000 boulons, les hangars d’aviation d’Orly et de nombreuses charpentes industrielles (dans les zones d’encastrement). • La soudure Mode d’assemblage fort connu, la soudure consiste à apporter un métal à haute température qui, par refroidisse PAGF s 9 d’assemblage fort connu, la soudure consiste à apporter un métal à haute température qui, par refroidissement et transformation métallurgique des bords assemblés, assure la continuité écanique des pièces.
Le procédé oxyacétylique a été remplacé par la soudure à l’arc avec électrode enrobée (soudage manuel) et par la soudure semi-automatique avec atmosphère protectrice de gaz (M. I. G. – metal inert gas -et M. A. G. – metal active gas). De plus, quand la soudure est faite à plat, il est possible d’utiliser un flux protecteur en poudre, protégeant l’électrode. Ce dernier procédé peut être consideré comme automatique. La résistance de la soudure aux efforts dépend de l’acier, de la qualité d’exécution et des préparations prévues.
La qualité est également iée aux risques admis pour des structures très élaborées plates-formes marines, températures nucléaires -, alors un agrément préalable des soudeurs est nécessaire. La qualification de l’ouvrier est périodiquement testée et de plus les cahiers de soudage donnant les chanfreins, les épaisseurs de cordons et les traitements de chauffage sont suivis de près. Les défauts dans les soudures sont souvent des amorces de fissures extrêmement graves en cas de sollicitations alternées.
Celles-ci peuvent être détectées par l’emploi des rayons X ou simplement par ressuage. L’opération de soudage est aractérisée par une trempe dans la zone proche du cordon déposé. Après refroidissement, les pièces sont bridées, et les tensions internes ou autocontraintes apparaissent et sont très importantes en cas de pièces fermées (caisson) ou en PAGF 19 autocontraintes apparaissent et sont très importantes en cas de pièces fermées (caisson) ou en cas de concentration de cordons (cas de plusieurs pièces partant d’un même nœud).
L’exemple caractéristique est celui du nœud d’assemblage des trelllis tubulaires utilisés dans les structures fixes ou non. Pour limiter l’effet des contraintes de retrait, on procède soit à un traitement u four, soit à un chauffage par résistances superficielles électriques. Pour augmenter la résistance des pièces, il convient de concevoir un tracé optimal (absence d’angles vifs rentrants, cordon d’épaisseur suffisante… ). Les procédés décrits ci-dessus sont à mettre en œuvre, en prévoyant des goussets pour les pièces simples ou des boîtes de transfert pour les tubes.
Ces pièces intermédiaires doivent être conçues pour faciliter la transmission des efforts sans risque de rupture locale par arrachement ou voilement. Les jonctions entre pièces en cas d’encastrement ne peuvent se aire que par soudure ou boulons H. R. , mais des articulations très simples peuvent être réalisées en réduisant le nombre d’organes de transmission (boulon unique, par exemple). Ces dispositions économiques sont utiles pour les charpentes de bâtiments où les palées de stabilité sont distinctes des éléments de façades et de planchers. ?? ‘influence des sollicitations Les sollicitations peuvent être dues aux charges permanentes et d’exploitation mais aussi aux éléments extérieurs (neige, vent, séismes, houle… ). Les structures métalliques permettent d’avoir une charge permanente le plus faible possible et un c 2 métalliques permettent d’avoir une charge permanente le plus faible possible et un comportement élastique, même dans le cas de mise en plastification de certaines zones.
Dans le cas des bâtiments, ces caractéristlques sont partlculièrement intéressantes pour les structures en zone de séismicité marquée. Il en est de même pour des tours de grande hauteur, où les gains de poids au point de vue de la charge permanente sont précieux. Enfin, le comportement en fatigue de l’acier a certainement eu une grande influence dans le choix de structures métalliques pour l’exploitation du pétrole en mer. Dans le cas des pants ou couvertures de grande portée, l’acier rend de grands services grâce au gain de poids de charge permanente.
Il en est de même pour les ponts mobiles où le poids de la volée commande en grande partie le mécanisme de levage. Enfin, les caractéristiques mécaniques élevées de l’acier par rapport au béton sont très avantageuses en cas de report de charge : pour des bâtiments ? étages, la partie basse constituée de poteaux métalliques enrobés ou non de béton a une superficie utile plus étendue que si des poteaux en béton étaient utilisés. À titre d’exemple, signalons la éalisation de la gare de Lyon La Part-Dieu et la tour des Poissons à la Défense. ?? Le système de montage Les opérations de montage en matière de charpente métallique sont fondamentales car elles constituent le dernier stade avant l’achèvement, mais le plus dangereux en raison des problèmes d’instabilité. Les différents procédés classiques sont les suivants : déplacement de charges par levage ; d 9 différents procédés classiques sont les suivants : déplacement de charges par levage ; déplacement par ripage horizontal ; montage par utilisation de la structure existante comme support.
Dans tous les cas, la posslbillté de préfabricatlon en usine dépend en grande partie des conditions de transport. La solution la plus économique est la voie maritime ou fluviale. Elle permet le remorquage et la mise en place de blocs pouvant atteindre plusieurs centaines de tonnes. Ce procédé est utilisé fréquemment pour la fabrication et l’approvisionnement des « modules des plates-formes marines. Ces modules sont d’énormes boites métalliques contenant tous les organes prévus et testés (unité de forage, unité de traitement d’eau électrique… . Ils peuvent peser jusqu’à 1 000 tonnes. Il n’est pas possible en site terrestre de bénéficier de telles conditions. Les transports routiers, même exceptionnels, réduisent fortement les dimensions des blocs élémentaires. Il faut donc procéder à des préassemblages au sol et utiliser au maximum les capacités de levage disponibles. Celles-ci sont très faibles dans le cas d’ouvrages en béton. Il est donc nécessaire de déplacer des grues puissantes (400 mètres x tonnes) ou de mettre en place des dispositifs spéciaux.
Les ouvrages comme les ponts, par exemple, nécessitent le recours à ceux-ci : à titre d’exemple, citons le viaduc de Caronte, près de Martigues, en France, pont à béquille, de 300 mètres de portée totale, qui fut « levé » depuis le niveau 0 jusqu’à la cote finale (48 m) par un levage utilisant deux palées équipées chacune de vérins de la cote finale (48 m) par un levage utilisant deux palées équipées chacune de vérins de 500 tonnes.
L’ossature levée pesait environ 2 000 tonnes ; autre exemple analogue, les travées latérales du pont de Salnt-Nazalre – Saint-Brévin, et le pont de Niteroi, au large de Rio de Janeiro. Les déplacements de charges importantes peuvent se faire également horizontalement grâce à des techniques de ripage. Celles-ci emploient des méthodes qui associent les vérins et les surfaces de glissement en Néoprène-TéfIon. II est loisible d’utiliser des coussins d’air.
Des exemples en matière d’ouvrages d’art comme le déplacement complet du pont à haubans de Neuwied (Allemagne), long de 485 mètres et pesant 12 000 tonnes, sur une longueur de 16 mètres, ou le ripage analogue du pont à haubans d’Ober Kassel (Allemagne), de 516 mètres de long, méritent d’être cités. Ces méthodes de ripage sont en fait le prolongement de procédés de lancement connus depuis longtemps. Ils sont applicables pour la mise en place de poutres en I ou pour des aissons.
L’emploi de zone de glissement en Néoprène-Téflon sur acier inoxydable permet de traiter le cas de courbes gauches. L’utilisation d’un moyen de levage lié à l’ossature s’avère nécessaire si les grues ne peuvent atteindre la zone de montage. Il s’agit, dans le cas des ponts, de montage par encorbellement (photo) grâce à un mât placé en extrémité de travée. Il faut alors prêter une grande attention aux zones d’appui sur piles qul supportent toute la charge pendant la période du montage. Pour des bâtiments élevés à la verticale, les derricks de montage fix
