Les bâtiments à portique en acier sont le système de structure le plus courant. Il est largement utilisé dans les bâtiments légers en acier tels que les entrepôts, les ateliers, les hangars, les garages.

Le portique en acier est un système de construction léger ; il s’agit d’un portique à âme pleine ou à treillis comme cadre porteur principal, composé d’acier soudé en forme de H (section égale ou variable), d’acier en forme de H laminé à chaud ou d’acier à paroi mince formé à froid. L’acier à paroi mince formé à froid (en forme de C ou de Z) est utilisé comme pannes et pour les murs ; les tôles ondulées sont utilisées pour les toits et les murs ; la mousse de polystyrène, la mousse de polyuréthane rigide, la laine de roche, la laine minérale, la laine de verre, etc. sont utilisées comme matériaux de préservation et d’isolation thermique, et un système de contreventement approprié est mis en place.

Par rapport à la structure en béton armé. Le portique en acier présente les avantages suivants : légèreté, grande rigidité, conception flexible, force raisonnable et construction pratique.

Forme du cadre rigide

La structure du portique peut prendre différentes formes : une portée simple, une portée double, une portée haute et basse, une portée multiple, un faîte simple, un faîte multiple, une pente simple, une pente double, des pentes multiples, une pente plate, etc. Les cadres rigides à portée unique sont principalement utilisés dans les bâtiments nécessitant un faible encombrement latéral. En général, la portée est de 18 à 36 m. Des sections en forme de H, soudées ou laminées, sont souvent utilisées. La position et la hauteur des poutres et des poteaux à section variable sont déterminées en fonction du diagramme de distance de flexion et de la portée. Le cadre rigide à travées multiples est adapté aux grands bâtiments, et sa section transversale est similaire à celle d’un cadre rigide à travées simples, mais la colonne centrale adopte généralement une section transversale égale. À l’heure actuelle, la portée maximale du portique atteint 72 mètres.

La composition des bâtiments à portique en acier

1. Ossature primaire : cadres rigides transversaux (y compris les cadres rigides intermédiaires et d’extrémité), poutres de plancher, poutres de grue, systèmes de support, etc.
2. Ossature secondaire : pannes de toit et chevrons de mur, etc.
3. Structure de l’enveloppe : panneaux de toit et de mur ;
4. Structures auxiliaires : escaliers, plates-formes, rampes, etc ;
5. Fondation.

Les colonnes en acier, les poutres de toit et les systèmes de contreventement constituent le squelette de force primaire de la charpente métallique du portail. C’est l’encadrement principal.
Les pannes de toit et les chevrons de mur ne soutiennent pas seulement le toit et les murs, mais fournissent également un support latéral pour les poutres et les colonnes structurelles principales, qui constituent l’ossature secondaire des bâtiments à portique en acier.
Le toit et les panneaux muraux servent d’enveloppe et de fermeture à l’ensemble de la structure, tout en augmentant la rigidité globale des bâtiments en acier.

La portée du portique est généralement de 9～36m. Lorsque les largeurs des colonnes latérales ne sont pas égales, leurs côtés extérieurs doivent être alignés.

La hauteur moyenne du cadre du portail doit être de 4,5～9,0 mm. Lorsqu’il y a un pont roulant, il ne doit pas être supérieur à 12m.

L’espacement du portique, c’est-à-dire la distance longitudinale entre l’axe de la grille des poteaux, doit être de 6 à 9 mètres.
La longueur du porte-à-faux peut être déterminée en fonction des exigences de l’application et devrait être de 0,5~1,2m.

Le système structurel des bâtiments à portique en acier :

1. structure porteuse transversale :

1)La composition de la structure porteuse transversale comprend des poutres de toit en acier, des colonnes en acier et des fondations) ;
2)La structure porteuse transversale supporte et transfère les charges verticales et horizontales.

2. Structure du cadre longitudinal :

1)La composition de la structure du cadre longitudinal comprend les colonnes longitudinales, les poutres de grue, le contreventement des murs, la poutre de liaison rigide et les fondations).
2)Assurer la rigidité longitudinale et la stabilité des bâtiments ;
3)Transmettre et supporter la charge longitudinale du vent, la charge horizontale longitudinale de la grue, la contrainte thermique et la charge sismique agissant sur le pignon à l’extrémité du bâtiment et du toit.

3. Structure de la toiture

1)Panneau de toiture : Il peut supporter la charge verticale et la charge horizontale du vent agissant sur le panneau de toit. En général, il utilise une feuille de métal ou un panneau sandwich d’une seule couleur.

2)Pannes : Structure de support du panneau de toit, qui peut supporter la charge verticale et la charge horizontale du vent transmises par le panneau de toit. 3)Poutre de cadre rigide : Les éléments porteurs primaires supportent principalement le poids propre de la structure du toit et la charge vive transmise par le panneau de toit.

4. structure des murs

1)Panneaux pour murs extérieurs : murs verticaux et pignons. Ils supportent principalement la charge du vent. Il utilise une feuille de métal ou un panneau sandwich d’une seule couleur.
2)La plinthe murale : elle supporte la charge verticale et horizontale du vent transmise par le panneau mural.

5. Contreventement

Type : Contreventement horizontal du toit, contreventement des murs.
1)Contreventement horizontal du toit : améliore la rigidité globale du toit. Il se compose d’un contreventement transversal de toit, d’une poutre de liaison et d’un contreventement volant.
2)Contreventement des murs : Il sert à améliorer la stabilité de la structure de l’armature du mur.

Utilisez :
1)Améliorer la rigidité spatiale de la structure du bâtiment
2) Stabilité structurelle garantie
3) Transmettre la charge du vent, la charge du frein de la grue et la charge sismique aux éléments porteurs.

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Les charges externes agissent directement sur l’enveloppe – charges verticales et latérales transmises au portique latéral de la structure primaire par l’intermédiaire de la structure secondaire. Le portique s’appuie sur sa rigidité pour résister aux effets extérieurs. Charges de vent longitudinales transférées aux fondations par le contreventement du toit et des murs.

Le schéma structurel des bâtiments à portique en acier

La portée et l’espacement des colonnes du portique en acier sont principalement déterminés en fonction des exigences du bâtiment. Les principales questions à prendre en compte dans la conception architecturale sont la détermination de l’intervalle de température et la disposition du système de contreventement.

Compte tenu de l’effet de la température, la longueur de la section de température longitudinale des bâtiments à portique en acier ne doit pas dépasser 300m, et la section de température transversale ne doit pas dépasser 150m. Si la taille dépasse la section de température, il faut prévoir un joint d’expansion de température. Les joints de dilatation thermique peuvent être réalisés en plaçant des colonnes doubles ou en ajustant l’ossature secondaire.

Expansion joint of steel roof on concrete column

Les grands principes du dispositif de contreventement sont les suivants :

1. La distance entre les contreventements est généralement de 30 à 40 mètres et ne devrait pas dépasser 60 mètres.

2. Le contreventement horizontal de la toiture et le contreventement des murs sont disposés entre la même colonne, il permet d’assurer la formation d’un système géométriquement inchangé et d’améliorer la rigidité globale de la structure du bâtiment ;
3. Si le contreventement du toit est disposé entre les deuxièmes colonnes, des tirants rigides doivent être disposés entre les premières colonnes.

5. La barre inclinée à 45° permet de transférer le plus efficacement les charges horizontales. Lorsque l’angle de l’élément de contreventement à une couche est trop grand en raison de la hauteur de la colonne, il convient de mettre en place un contreventement mural à deux ou trois couches ;

6. Des barres d’ancrage rigides doivent être prévues aux points d’inflexion tels que le sommet des colonnes et les crêtes de toit. Des tirants longitudinaux rigides doivent être fournis à la structure longitudinalement aux nœuds des fermes de contreventement ;

7. Le tirant rigide des bâtiments à portique en acier peut utiliser la panne à la position correspondante. La barre d’ancrage fournie lorsque la rigidité ou la capacité de charge est insuffisante.

Les dimensions du bâtiment à ossature métallique avec portique doivent être conformes aux exigences suivantes :

La portée d’un portique doit être la distance entre les axes des colonnes transversales du cadre.

La hauteur du portique doit être considérée comme la hauteur entre le sol et l’intersection de l’axe du poteau et de l’axe de la poutre inclinée. La hauteur du portique doit être déterminée en fonction des exigences de hauteur nette intérieure. Pour une usine équipée d’une grue, la hauteur doit être déterminée en fonction de l’élévation supérieure du rail et des exigences en matière de hauteur nette de la grue.

L’axe de la colonne peut être déterminé par l’axe vertical au centre de l’extrémité inférieure de la colonne. L’axe de positionnement des colonnes latérales dans les bâtiments industriels doit être situé à l’extérieur de la colonne. L’axe de la poutre inclinée peut être déterminé par l’axe parallèle au centre de l’extrémité la plus petite du segment de poutre à section variable et à la surface supérieure de la poutre inclinée.

Dimensions de construction du bâtiment en acier à ossature métallique à portique :

La hauteur de la corniche doit être la hauteur depuis le sol jusqu’au bord inférieur des pannes à l’extérieur de la maison ; sa hauteur maximale doit être la hauteur depuis le sol jusqu’au bord supérieur des pannes au sommet de la toiture ; sa largeur doit être la distance entre les revêtements extérieurs des poutres murales sur les murs latéraux de la maison ; sa longueur doit être la distance entre les revêtements des poutres du mur pignon aux deux extrémités.

La portée du portique devra être de 12 à 48 mètres en une seule travée, avec un module de 3 mètres. Si les largeurs des montants latéraux ne sont pas égales, leurs côtés extérieurs doivent être alignés.

La hauteur du portique doit être comprise entre 4,5 et 9,0 mètres et peut être augmentée en conséquence si nécessaire. Lorsqu’il y a un pont roulant, la hauteur ne doit pas dépasser 12 mètres.

L’espacement entre les portiques, c’est-à-dire la distance longitudinale entre les axes du réseau de colonnes, doit être de 6 mètres, mais peut également être de 7,5 mètres ou 9 mètres, avec un maximum de 12 mètres. Pour des portées plus petites, 4,5 mètres peuvent être utilisés.

La longueur du porte-à-faux peut être déterminée en fonction des exigences d’utilisation et doit être comprise entre 0,5 et 1,2 mètres. La pente de la semelle supérieure doit être la même que celle de la poutre inclinée. Les formes des portiques sont divisées en charpentes à simple travée et à double pente, à double travée et à simple pente, à plusieurs travées et à double pente, et en charpentes rigides avec surplombs et maisons adjacentes. La liaison entre la colonne médiane de l’ossature rigide à travées multiples et la poutre inclinée de l’ossature rigide peut être articulée. Les charpentes rigides à travées multiples doivent adopter des toitures à double ou à simple pente. Si nécessaire, des ossatures rigides à plusieurs travées reliées par plusieurs travées simples à double pente peuvent également être utilisées.

Séquence d’installation de la structure métallique du portail :

1. Installez le poteau en acier
Tout d’abord, il faut fixer les boulons d’ancrage, puis le poteau en acier est posé sur la fondation en étant relié aux boulons d’ancrage.

2. Installez le tirant entre les colonnes d’acier.

3. Assemblage de la poutre en acier
Les poutres en acier doivent être combinées avec des boulons à haute résistance sur le sol et assemblées.

4. Installez la panne entre les deux fermes de toit pour former un système de charpente stable.

Séquence d’installation : commencez par les deux cadres rigides soutenus entre les colonnes près du pignon. Posez les pannes, les contreventements, les contreventements volants, etc.

En partant des deux cadres rigides, installez-les en séquence vers l’autre extrémité de la maison.

Facteurs à prendre en compte dans la conception des bâtiments à portique en acier :

1.Règlement sur la valeur de la charge

Charge morte

Le logiciel de conception génère le poids propre des bâtiments à portique en acier. La charge du toit, des pannes, des contreventements et des autres charges ajoutées à la charpente métallique a été calculée en fonction de la conception réelle. La tôle ondulée unicolore et le panneau sandwich peuvent être utilisés comme panneau de toit ou de mur. Les matériaux d’isolation du panneau sandwich comprennent la mousse de polystyrène, le polyuréthane, la laine de roche, la laine de verre, etc.
La conception doit être associée à des matériaux spécifiques pour déterminer la charge du toit et des murs.

Charge variable

Les charges variables comprennent la charge vive du toit, la charge des cendres, la charge des grues, l’action sismique, la charge du vent, etc. La « Spécification technique pour les structures légères en acier à portique » (CECS102 : 2002) stipule que la charge utile du toit est de 0,5 kN/M2. Si la surface de charge est supérieure à 60M2, le facteur de réduction peut être multiplié par 0,6. Ainsi, lors du calcul de la charpente métallique, on utilise généralement 0,3kn/m2.

2. minimiser la quantité d’acier

Dans les bâtiments à portique en acier, la consommation d’acier de l’ossature primaire en acier et de la panne représente plus de 90%. Dans les mêmes conditions de charge, la disposition de l’espacement des colonnes a une grande influence sur la consommation d’acier.
Plusieurs analyses statistiques montrent que la distance recommandée entre les poteaux est de 6 à 8 m, et que la portée ne doit pas dépasser 36 m. Les pannes doivent être en acier à paroi mince de type C et Z, tandis que les cadres en acier utilisent généralement des sections en forme de H.