Une charpente métallique est une structure en acier, généralement assemblée par soudage, boulonnage ou rivetage à des poutres, poteaux, contreventements et autres composants. Elle est généralement utilisée comme structure porteuse principale d’un bâtiment. Les charpentes métalliques présentent les avantages suivants : légèreté, haute résistance, bonne résistance sismique et rapidité de construction. Elles peuvent ainsi répondre aux besoins des bâtiments de grande portée et des structures complexes.

Introduction à la charpente métallique

Dans les bâtiments modernes, les structures en acier occupent une place essentielle. Composante essentielle, la charpente métallique est largement utilisée dans divers secteurs du bâtiment et de l’industrie. La construction d’une charpente métallique comprend quatre étapes fondamentales : la conception, la transformation, le transport et l’installation. Tout d’abord, l’ingénieur structure calcule la section de la charpente métallique en fonction de la charge et de l’environnement extérieur, puis établit les plans détaillés. Ensuite, l’acier est découpé, soudé, percé et traité en usine selon les plans de transformation. Après transformation, il est transporté sur site pour être assemblé, formant ainsi la charpente métallique.

Le rôle de l’acier dans les bâtiments modernes

L’acier est un matériau de construction idéal. Sa résistance et sa durabilité élevées en font un matériau de choix pour les bâtiments modernes. Comparé au béton traditionnel, l’acier est léger, mais sa capacité portante est supérieure, ce qui allège la charge des fondations. De plus, les bâtiments en acier ont une durée de construction courte et 90 % des matériaux sont recyclables et réutilisés. Bien que l’investissement initial soit plus élevé que celui du béton, les avantages économiques à long terme des structures en acier sont bien plus importants.

Applications typiques des charpentes métalliques dans différents secteurs d’activité

Les charpentes métalliques sont utilisées dans de nombreux secteurs, notamment les ateliers, les entrepôts, les ponts, les gymnases, les centres commerciaux à plusieurs étages et les immeubles de grande hauteur. Elles peuvent supporter des équipements lourds dans un atelier ou dans le secteur industriel. Dans le domaine des infrastructures, elles peuvent offrir aux ponts une durabilité et une résistance aux tremblements de terre supérieures. Elles permettent de grandes portées et des configurations flexibles dans les gymnases et les bâtiments commerciaux. Elles peuvent améliorer l’efficacité de la construction et la durée de vie des immeubles de grande hauteur.

Types de structures à charpentes métalliques

1. Structure à ossature rigide : résistance et stabilité

La structure à ossature rigide est l’un des principaux types de structures. Légère, très fiable, elle offre une excellente résistance aux vibrations et aux chocs. Elle est largement utilisée dans les bâtiments à plusieurs étages. Composée de nombreuses poutres et colonnes, elle supporte l’intégralité de la charge de la maison. Pour les immeubles de grande hauteur et les usines industrielles, les murs en briques ne peuvent plus supporter de lourdes charges ; les ossatures sont alors souvent utilisées comme structures porteuses. Les ossatures rigides offrent une forte capacité portante et restent stables face aux vents et aux tremblements de terre.

2. Portique en acier: Pilier des bâtiments industriels

Un portique en acier monocouche constituée d’une liaison rigide entre poteaux et poutres en acier. Il est principalement utilisé pour les bâtiments de grande portée tels que les ateliers industriels, les entrepôts, les hangars et les gymnases. Il utilise de l’acier en forme de « H », avec des pannes et des systèmes de contreventement, pour former un système structurel stable, simple, léger, d’une résistance raisonnable et d’une construction pratique.

3. Treillis en acier: une résistance maximale avec un minimum de matériaux

Une ferme en acier exploite la stabilité du triangle et est composée d’une membrure supérieure, d’une membrure inférieure et d’une âme. Une capacité portante supérieure est obtenue avec moins de matériaux grâce à une disposition judicieuse des tiges. Cette structure est souvent utilisée pour les bâtiments de grande portée tels que les ponts et les toitures, comme celles des stades et des terminaux, et est généralement composée de fermes tubulaires de grande portée. Légère, elle répartit efficacement la charge, réduisant ainsi la pression exercée sur les fondations. Les coûts de matériaux et de fondations sont donc faibles.

4. Cadre de contreventement : améliore l’intégrité structurelle

Le cadre de contreventement est généralement composé d’un cadre et d’un contreventement, qui supportent conjointement les efforts verticaux et horizontaux. Cette structure résiste efficacement aux charges de vent et aux tremblements de terre, tout en améliorant sa stabilité. Les contreventements courants sont les contreventements en X, en K et en V, qui se caractérisent par une disposition flexible et une résistance latérale.

Étape de conception : Planification de la charpentes métalliques

Ingénierie structurelle et considérations relatives aux charges

Lors de la conception de la structure en acier, les ingénieurs utilisent des calculs et des analyses de modèles pour garantir la résistance du bâtiment à diverses charges externes, notamment les charges statiques et dynamiques, le vent, la neige et les tremblements de terre. Ils répartissent également les charges de manière judicieuse afin de garantir la sécurité et la stabilité de la structure sous contrainte. De plus, la résistance aux températures élevées et à la corrosion doit être prise en compte afin de prolonger sa durée de vie et de réduire les coûts de maintenance.

Choisir la nuance et la section d’acier appropriées.

La nuance d’acier appropriée doit être sélectionnée en fonction des spécifications du bâtiment lors de la conception. La structure en acier utilise principalement du Q355B, un acier de construction faiblement allié à haute résistance, pour garantir sa durabilité. De plus, les spécifications de la section transversale de l’acier influencent directement la résistance aux contraintes de la structure. La structure en caisson présente une meilleure résistance à la déformation que l’acier en H/I pour les très grandes portées et les bâtiments de très grande hauteur, ce qui lui confère une résistance et une stabilité supérieures.

Comprendre le chemin de charge et la répartition des contraintes.

La stabilité d’une charpente métallique dépend de la conception du chemin de charge ; autrement dit, la charge agissant sur le bâtiment est transférée aux fondations. Les ingénieurs doivent analyser les contraintes de la structure afin de garantir une répartition uniforme de la charge sur les poteaux, les poutres, les supports et les fondations, afin d’éviter toute concentration de contraintes et tout dommage à la structure. De plus, l’analyse de la répartition des contraintes permet d’optimiser les méthodes d’assemblage des nœuds, telles que le soudage et le boulonnage, afin d’améliorer la stabilité de l’ensemble.

Sélection des matériaux de charpente métallique : acier laminé à chaud et acier plié à froid

L’acier se divise principalement en deux types : l’acier laminé à chaud et l’acier plié à froid. L’acier laminé à chaud est un acier obtenu par laminage de billettes d’acier à haute température. Il offre de meilleures performances en termes de résistance, de ténacité et de rigidité et convient aux structures porteuses telles que les poteaux, les poutres et les fermes de grande portée. L’acier plié à froid désigne les profilés en feuillard d’acier traités sous pression à température ambiante. Également appelé acier à parois minces, il s’agit d’un acier de construction léger, utilisé notamment pour les pannes de toiture et les poutres murales. Le choix de l’acier dépend des besoins du projet. L’acier laminé à chaud est le premier choix pour les bâtiments de grande portée et à forte charge, tandis que l’acier plié à froid est plus avantageux pour les bâtiments légers à faible charge.

Conclusion

Les structures à ossature métallique jouent un rôle irremplaçable dans les bâtiments modernes. Elles offrent une capacité portante et une durabilité supérieures pour les immeubles de grande hauteur, les entrepôts industriels, les ponts ou les stades. Grâce à une conception rationnelle, une fabrication précise et une technologie de construction de haut niveau, les structures à ossature métallique peuvent répondre à des besoins de construction complexes.