ASSEMBLAGES SOUS CHARGEMENT STATIQUE

ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 11 ASSEMBLAGES SOUS CHARGEMENT STATIQUE Leçon 11.1.1 Assemblages pour les bâtiments Fichier : L11-1-1.doc OBJECTIF Identifier les manières dont les assemblages sont réalisés dans les bâtiments en acier, discuter l'importance du choix d'un type d'assemblage en ce qui concerne le comportement et le caractère économique de la structure et présenter les principes fondamentaux du dimensionnement des assemblages. PREREQUIS Leçon 1B.5.1 : Leçon 1B.7.1 : Leçon 3.1.1 : Leçon 3.5 : Introduction aux bâtiments industriels simples Introduction aux bâtiments à étages – 1ère partie Principes généraux de fabrication des structures en acier – 1ère partie Fabrication et montage des bâtiments LEÇONS CONNEXES Leçon 11.1.2 : Introduction au dimensionnement des assemblages Leçons 11.2.1, 11.2.2 & 11.2.3 : Assemblages soudés Leçons 11.3.1, 11.3.2 & 11.3.3 : Assemblages boulonnés Leçons 11.4 : Analyse des assemblages Leçon 11.5 : Assemblages de type articulé pour les bâtiments Leçon 11.6 : Assemblages transmettant des moments de flexion dans les structures continues Leçon 11.7 : Assemblages à résistance partielle dans les structures semi-continues Leçon 11.8 : Joints dans les bâtiments Volume 13 : Structures tubulaires. RESUME La nécessité de disposer de formes variées d'assemblages structuraux dans les bâtiments métalliques est établie et les formes de base des assemblages sont identifiées. Les manières de réaliser les assemblages sont discutées du point de vue transfert d'efforts locaux entre les composantes, cohérence avec le comportement structural dans son ensemble et aspects pratiques de fabrication et de montage. Les principes de base du dimensionnement des assemblages sont enfin établis. Page 1 1. INTRODUCTION Les ossatures de bâtiments en acier sont constituées de différents types d'éléments structuraux qui doivent être chacun et de manière appropriée, relié aux parties environnantes de la structure. Cela implique le recours à de nombreuses formes d'assemblages. Les classes principales d'assemblages sont les suivantes : Assemblages où se produit un changement de direction ; assemblages poutrepoteau, assemblages poutre - poutre et assemblages entre éléments de structures en treillis ; En vue du transport et du montage, la longueur des éléments de structure est limitée ; les poteaux, par exemple, sont ainsi normalement raboutés tous les deux ou trois étages ; Assemblages d'éléments différents incluant l'assemblage de la structure en acier à d'autres parties du bâtiment comme par exemple les pieds de poteaux, les assemblages au noyau en béton et les assemblages avec des panneaux, des planchers et des toitures. La figure 1 présente des exemples d'assemblages rencontrés dans un bâtiment multiétagé. Les assemblages constituent des parties importantes de chaque structure en acier. Les propriétés mécaniques des assemblages ont une influence significative sur la raideur et la stabilité de la structure tout entière. Le nombre et la complexité des assemblages ont une influence décisive sur le temps nécessaire à l'analyse statique et la préparation des plans. Page 2 La fabrication des assemblages, c'est-à-dire la découpe, le forage et le soudage des éléments principaux, plats, cornières et raidisseurs, représente la majeure partie du travail de fabrication à réaliser en atelier. La facilité de montage des assemblages sur chantier est un facteur clé. En définitive, le choix, le dimensionnement et le détail des assemblages de bâtiments influent de manière significative sur les coûts. 2. COMPOSANTES D'ASSEMBLAGES Les assemblages de structures en acier sont, en règle générale, réalisés par soudure et/ou boulonnage. Soudures Bien que de divers types de soudure soient possibles, les soudures d'angle telles qu'illustrées à la figure 2a sont normalement préférées aux soudures en bout représentées à la figure 2b, dans la mesure où elles ne requièrent qu'une préparation limitée des pièces à connecter, où elles peuvent d'habitude être réalisées à l'aide d'un équipement relativement simple et où elles ne nécessitent aucune habileté particulière du soudeur. Les soudures peuvent être bien sûr exécutées sur chantier mais ont tendance à être plutôt coûteuses pour les raisons suivantes : Des plates-formes provisoires permettant un accès en toute sécurité sont nécessaires. Page 3 Le travail peut être retardé par les conditions atmosphériques si aucune protection particulière des soudures n'est assurée. Du courant électrique doit être disponible sur le lieu de soudage. Des boulons et des cornières provisoires sont de toute manière requis pour maintenir les éléments ensemble. Coûts d'inspection. La durée supérieure du montage empêche le client de prendre possession rapidement de son bâtiment. Les assemblages sur chantier sont dès lors réalisés, d'habitude, à l'aide de boulons. Boulons En fonction de la configuration de l'assemblage et de la position des boulons, ces derniers sont sollicités en traction, en cisaillement ou en traction et cisaillement combinés ainsi qu'illustré aux figures 3 et 4. Afin de compenser les erreurs de précision sur les distances entre trous et les diamètres des boulons, les trous sont généralement forés à un diamètre supérieur de 2 mm à celui du diamètre des boulons (jeux des trous de boulons). Lorsque les déplacements qui résultent des jeux ne sont pas acceptables, les boulons peuvent être préserrés afin d'éviter tout glissement. Dans le cas des structures soumises à chargement statique, comme les bâtiments, l'utilisation de boulons préserrés doit normalement être évitée. Le traitement particulier des surfaces de contact nécessaire à l'obtention d'une valeur élevée et fiable du coefficient de frottement et les procédures de mise en place de la précontrainte ont en effet une répercussion néfaste sur les coûts. Page 4 Autres éléments d'assemblage. En plus des soudures et des boulons, d'autres éléments d'assemblage sont également nécessaires au transfert des efforts comme, par exemple, des plats et des cornières. La figure 5 illustre quelques exemples dans le cas d'assemblages poutre-poteau. Des zones potentiellement faibles peuvent apparaître dans les assemblages. Dans l'assemblage poutre-poteau de la figure 6, il s'agit de la semelle et de l'âme du poteau. Page 5 Le transfert d'efforts importants localisés dans le poteau peut causer une plastification et une instabilité locales. Ces modes de ruine peuvent déterminer la résistance flexionnelle de l'assemblage. Dans l'exemple de la figure 6, la résistance flexionnelle de l'assemblage est inférieure au plein moment plastique de la poutre ; Si nécessaire, le moment résistant peut être accru en renforçant les zones faibles des assemblages (figure 7). Page 6 Page 7 3. TYPES D'ASSEMBLAGES Dans le cas des bâtiments dimensionnés pour des charges essentiellement statiques, actions du vent comprises, il s'avère d'habitude suffisant de dimensionner les assemblages pour des efforts appliqués dès le départ dans un seul et même sens. A l'inverse, dans les zones sismiques, des renversements importants du sens de sollicitations apparaissent. Ce renversement des efforts requiert une approche différente du dimensionnement des structures qui conduit à l'utilisation d'autres configurations d'assemblages. Dans les structures multi-étagées, les assemblages entre les éléments principaux peuvent être classés de manière commode en : assemblages poutre – poutre, assemblages poutre-poteau, raboutage de poteaux, pieds de poteaux, assemblages de contreventements. Cette liste ne couvre bien évidemment pas les assemblages entre l'ossature principale et d'autres parties de la structure comme les assemblages poutre - plancher, les connexions aux parements, etc. Malgré la différence des configurations géométriques et des exigences précises en matière de comportement structural pour les cinq types d'assemblages précités, certaines exigences générales communes de fonctionnement sont requises : Les assemblages doivent être suffisamment résistants pour transmettre les efforts de dimensionnement. A cette fin, ils doivent être conçus de manière à permettre un transfert « en douceur » des efforts intérieurs d'un élément à l'autre sans créer de concentrations importantes de contraintes. Ils doivent posséder le degré requis de flexibilité ou de rigidité. Les éléments d'assemblage (plats ou cornières) doivent, autant que possible, se mettre en place aisément et être accessibles au montage (sur chantier ou en atelier). Le dimensionnement des assemblages structuraux doit donc permettre de satisfaire simultanément les besoins en matière de comportement structural d'ensemble, de comportement local et de fabrication et de montage. En fait, il est souvent possible d'imaginer plusieurs configurations qui toutes satisfont les critères énoncés, mais à des degrés divers. Une certaine dose de jugement et d'expérience est alors requise pour décider à quel critère doit être accordé le plus d'attention dans la situation précise rencontrée. Bien sûr, le concepteur ne dispose pas d'une liberté totale quant à son choix Page 8 dans la mesure où il doit toujours s'assurer de la capacité de l'assemblage à transmettre le niveau requis de chargement. Son choix doit dès lors se porter sur une configuration donnée sans toutefois négliger qu'un assemblage plus simple à fabriquer peut parfois fournir une résistance supérieure à celle qui est réellement requise. A ce propos, l'atelier doit également influer sur le dimensionnement. Ses capacités et son niveau d'équipement doivent être considérés lors de la définition précise de la géométrie de l'assemblage. Ce travail doit donc être mené en collaboration avec l'atelier. Les assemblages entre des membrures dont l'une au moins est tubulaire réclament une attention toute particulière dans la mesure où les configurations courantes d'assemblages entre les profilés à section ouverte ne peuvent être simplement réadaptées. La raison majeure est, bien sûr, l'accessibilité limitée qui empêche d'utiliser des boulons dont les écrous ou la tête se trouveraient à l'intérieur du tube. Dans le cas des assemblages dont la réalisation complète par soudage est envisageable, par exemple pour les treillis fabriqués en atelier, la solution est évidente. Il convient, par contre, de se soucier davantage des assemblages à réaliser sur chantier, en particulier si le maintien de lignes architecturales nettes sur lesquelles reposent souvent le choix des assemblages entre profilés tubulaires doit être assuré. Plus d'information à ce sujet est fournie dans les leçons du Groupe 13. Les figures 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 et 15 fournissent des exemples relatifs aux différents types d'assemblages précités en vue d'illustrer la grande variété de dimensionnements possibles. Page 9 3.1. Raboutage de poteaux (figure 8) Figures 8.1 et 8.2 : Il s'agit de joints soudés. Lorsque les épaisseurs des plats à assembler diffèrent, il est plus économique de recourir à des soudures d'angle. Il convient de rappeler que le soudage est loin de pouvoir être considéré comme le moyen d'assemblage le plus approprié sur chantier. Figure 8.3 : Couvre-joints boulonnés. On peut supposer que les efforts verticaux sont transmis par contact direct entre les pièces assemblées et/ou par l'intermédiaire des couvre-joints. Ces derniers servent également à transférer les moments de flexion et les efforts de cisaillement. Pour des épaisseurs différentes des semelles/âmes, on a recours à des fourrures. Figure 8.4 : Un type de raboutage couramment utilisé. Suite au soudage en atelier, il arrive que les plats ne soient pas parfaitement plans. Il n'est, en règle générale, pas nécessaire de les redresser. Figure 8.5 : Il est, en certaines circonstances, intéressant de rendre la poutre continue. Afin de pouvoir transmettre les efforts et pour des raisons de stabilité, il s'avère nécessaire de raidir la poutre au niveau des semelles du poteau. Page 10 3.2. Pieds de poteau (figure 9) Figures 9.1 et 9.2 : Pour des platines épaisses, aucun raidissage n'est requis. Il s'agit là, normalement, de la solution la plus économique. Figure 9.3 : Des platines minces raidies ont été utilisées dans le passé. 3.3. Assemblages poutre-poteau articulés (figure 10) Figure 10.1 : Assemblage par plat mince soudé au poteau. La poutre est connectée d'un seul côté. Page 11 Figure 10.2 : Assemblage boulonné par cornières. Comme alternative, les cornières peuvent être soudées à l'une ou l'autre des membrures. Figure 10.3 : Assemblage par platine frontale souple et courte soudée à la poutre. Figure 10.4 : Assemblage boulonné par cornières. La cornière horizontale constitue un support complémentaire. Figure 10.5 : Si la paroi du tube est épaisse, les plats peuvent être soudés directement à la paroi sans qu'il ne soit nécessaire d'échancrer le tube pour que le plat soit continu. Pour plus de détails au sujet des tubes, voir leçons de Groupe 13. Figure 10.6 : La raideur dépend largement de l'épaisseur de la platine à l'extrémité du poteau et de l'épaisseur de la semelle de la poutre. Les raidisseurs peuvent être omis dans de nombreux cas. 3.4. Assemblages poutre-poteau résistant en flexion (figure 11) Figure 11.1 : Assemblage complètement soudé. Figure 11.2 : Assemblage d'angle boulonné. Figure 11.3 : Assemblage d'angle par platine d'extrémité soudée. Figure 11.4 : Assemblage soudé en T. Figure 11.5 : Assemblage boulonné en T. Page 12 Figure 11.6 : Assemblage boulonné par platine d'extrémité. On peut supposer qu'une autre poutre est connectée de l'autre côté de l'âme du poteau. 3.5. Assemblages poutre - poutre articulés (figure 12) Figure 12.1 : En fonction de la géométrie et des charges appliquées, des raidisseurs peuvent ou non s'avérer nécessaires. Cet assemblage a l'avantage d'être peu coûteux à réaliser mais le désavantage d'avoir une hauteur importante par rapport aux autres solutions de la figure 12. Figure 12.2 : Cet assemblage ne réclame, par rapport à celui de la figure 12.3, aucun grugeage de la poutre assemblée. Il est aussi, par conséquent, bon marché à la fabrication. Figure 12.3 : Les semelles supérieures sont à un seul et même niveau. Le grugeage rend cette solution plus coûteuse qu'en 12.2. Figure 12.4 : La poutre à connecter a une hauteur supérieure à celle de la poutre principale. Cette configuration est peu coûteuse à la fabrication. La rotule est située à l'endroit de la soudure entre le plat et l'âme. Page 13 3.6. Assemblages poutre - poutre résistant en flexion (figure 13) Figure 13.1 : Cette configuration est similaire à celle de la figure 12.1. Bien sûr, les raidisseurs doivent être évités autant que possible. Figure 13.2 : L'effort de traction dans la semelle supérieure est transmis par l'intermédiaire du plat de recouvrement qui traverse l'âme de la poutre principale au niveau de l'ouverture qui y est pratiquée. Dans la zone comprimée, des petits éléments peuvent aider à transmettre l'effort de compression. Figure 13.3 : Un grugeage de la poutre est nécessaire, comme en 12.3. Figure 13.4 : Les deux poutres ont des hauteurs identiques. Page 14 3.7. Assemblages horizontaux de contreventements (figure 14) Figures 14.1, 14.2 et 14.3 : La présence des goussets sur les semelles supérieures peut poser un problème lorsque l'on utilise des toitures ou planchers métalliques. Figures 14.4, 14.5 et 14.6 : Le profilé en U de la figure 14.4 est nécessaire comme membrure du treillis horizontal. Page 15 3.8. Assemblages verticaux de contreventements (figure 15) Figures 15.1, 15.2, 15.3 et 15.4 : contreventements. Diverses Page 16 possibilités d'assemblage des 4. EXIGENCES D'ORDRE ECONOMIQUE Comme indiqué précédemment, il existe un grand nombre d'exigences à satisfaire lors du dimensionnement des assemblages. Les exigences relatives au comportement structural sont examinées ultérieurement dans d'autres leçons de ce Groupe 11. Les exigences fondamentales en matière d'économie sont discutées ci-dessous. Les coûts d'une structure en acier peuvent être scindés en coûts des matériaux et coûts de main-d’œuvre comme suit : Matériaux 20 - 40 % Calculs Plans Fabrication 60 - 80 % Protection Montage De cette répartition des coûts, on peut conclure qu'une économie de main-d’œuvre a potentiellement plus d'influence sur le coût global de la structure en acier qu'une économie de matériaux. Un facteur prépondérant est la relation entre le coût du kg d'acier et le coût d'une heure de main d’œuvre. Dans les dernières décades, le prix de l'acier a augmenté considérablement moins que celui de la main-d’œuvre. Cette tendance, ainsi que le développement simultané des technologies de fabrication, conduisent à montrer qu'un dimensionnement optimal, il y a 10 ans, n'est plus compétitif à l'heure actuelle. Une part importante des coûts de main-d’œuvre est liée au dimensionnement et à la fabrication des assemblages. Il est souvent préférable, lors du dimensionnement, d'économiser de la main-d’œuvre au détriment du matériau. Cette réalité peut être illustrée par quelques exemples simples. Afin d'estimer les coûts, les hypothèses suivantes sont formulées : le coût d'un cm3 de soudure est équivalent à celui de 0,7 kg d'acier. les coûts de fabrication des raidisseurs sont égaux à ceux des soudures. les coûts par trou de boulon sont équivalents à ceux de 2 kg d'acier. Page 17 A la figure 16, une poutre de structure contreventée est représentée. Le cas de base est celui d'un dimensionnement avec assemblages rotulés ne transmettant que des efforts de cisaillement. Lorsque aux « rotules » sont substituées des assemblages travaillant en flexion comme en [B] et [C], un profilé de poutre IPE 140 peut être sélectionné à la place d'un IPE 180. Cependant, en raison des coûts de fabrication supérieurs, les solutions alternatives [B] et [C] sont plus onéreuses, en particulier la [B]. La différence avec la solution [C], dont le raidissage des semelles de poteaux est assuré par des plats de renforts, est moindre. Si le même exercice est réalisé avec une poutre de plus grande portée, disons 10 m, on démontre que la solution [C] est la moins coûteuse. La répartition des moments dans l'assemblage et dans la poutre est discutée ultérieurement à la leçon 11.7 relative au dimensionnement semi-continu. Un autre exemple concerne les pieds de poteaux illustrés à la figure 9. Il peut être démontré que l'utilisation d'une platine épaisse non raidie constitue l'optimum en matière de prix dans presque tous les cas. Pour en revenir à l'exemple des assemblages poutre-poteau, il convient de spécifier que la solution A ne nécessite aucune soudure. Cela signifie une progression plus continue des matériaux dans l'atelier de fabrication dans la mesure où aucun arrêt à la station de soudage n'est nécessaire. Citons encore d'autres aspects qui contribuent à l'économie du dimensionnement : Limiter autant que possible le nombre de diamètres, de longueurs et de nuances d'acier différents pour les boulons. Utiliser par exemple des boulons M20 de nuance 8.8 (contrainte ultime de 800 MPa et limite d'élasticité de 640 MPa), voir aussi les leçons 11.3, Assurer un accès aisé de manière telle que les soudures puissent être facilement réalisées, Page 18 Réduire les cas dans lesquels un ajustage précis est requis, Favoriser les détails standards et répétitifs, Permettre un accès en vue du boulonnage sur chantier, Mettre en œuvre des moyens permettant de supporter le poids propre des pièces afin de rapidement libérer la grue, Permettre un réglage aisé en vue de l'alignement, Avoir les problèmes de maintenance à l'esprit là où ils peuvent se poser. Pour plus d'information sur ces différents points, il suffit de se référer au Volume 3 sur la fabrication et au Volume 4A sur la corrosion. Page 19 5. CONCLUSION Des modifications d'assemblages sont requises à tout passage d'une membrure à une autre, à toute modification de direction des éléments de l'ossature et afin de conserver des dimensions raisonnables aux différentes membrures. Les assemblages doivent satisfaire des exigences en matière de comportement structural. Ils doivent être suffisamment résistants pour transmettre les charges de dimensionnement et, en même temps, posséder le degré de flexibilité ou de raideur désiré. Le dimensionnement des assemblages a un impact notoire sur le coût des structures réelles. Deux types de connecteurs sont utilisés dans les assemblages - les soudures et les boulons. En règle générale, les soudures sont utilisées dans l'atelier de fabrication et les boulons au montage. Lors de la conception des assemblages, une attention particulière doit être accordée à la facilité de fabrication ainsi qu'à la séquence et à la méthode de montage. Page 20 6. LECTURES COMPLEMENTAIRES 1. Boston, R.M. and Pask, J.W. "Structural Fasteners and their Applications", BCSA 1978. Dessins de boulons de tout type et photographies de procédures de fixation plus des exemples de dimensionnement d'assemblages. 2. Interfaces : Connections between Steel and other Materials, Ove Arup and Partners. Edited by R.G. Ogden, 1994. 3. Hogan, T.J. and Firkins, A., "Standardized structural connections", Australian Institute of Steel Construction, 1981, 3rd Ed, 1985. Présente des modèles de dimensionnement et des tables fournissant la résistance pour les principaux types d'assemblages. 4. Blodgett, O.W., "Design of welded structures", James F Lincoln Arc Welding Foundation, Cleveland, Ohio, USA, 1972. Manuel de référence informatif et bien illustré couvrant tous les aspects du dimensionnement et de la construction soudée. 5. Ballio, G. and Mazzolani, F.M. "Theory and design of steel structures", Chapman and Hall, London, 1983. Texte complet sur la théorie et le dimensionnement des structures en acier. Traite de manière approfondie des assemblages. La manière détaillée de couvrir l'effet de charges simultanées sur les soudures d'angle est particulièrement intéressante. 6. Draft for Development DD ENV 1993-1-1 : 1992 Eurocode 3 : Design of Steel Structures, Part 1, General Rules and Rules for Buildings. Le chapitre 6 présente les règles de dimensionnement des éléments individuels d'assemblage comme les boulons, les soudures, les distances bord-trou, etc. L'annexe J traite de manière plus détaillée du dimensionnement des assemblages poutre-poteau boulonnés et soudés. 7. Essential of Eurocode 3, Design Manual for Structures in Buildings, ECCS Publication 65, 1991. 8. Bijlaard, F.S.K. et al, Structural Properties of Semi-Rigid Joints in Steel Frames, IABSE Publications, 1989. Page 21 Met en évidence les sources de déformabilité des assemblages et présente des méthodes d'évaluation des propriétés de résistance et de raideur. 9. Joints in simple construction, Volume 1 : Design methods, SCI/BCSA Publication 205, 2nd Ed, 1993. Fournit des modèles de dimensionnement ainsi que certains de leurs fondements pour les types d'assemblages les plus populaires : poutre-poteau, poutre - poutre, raboutage de poteaux et pieds de poteaux. 10. Joints in Simple Construction, Volume 2 : Practical Applications, SCI/BCSA Pub 206, 1st Ed, 1992. S'étend sur les aspects plus pratiques du dimensionnement des assemblages ; fournit des tableaux que l'on consulte comme un indicateur et qui sont destinés à faciliter le dimensionnement des assemblages. 11. Owens, G. W. and Cheal, B. D., Structural Steelwork Connections, 1st Ed, 1989. Revue complète de nombreux dimensionnement des assemblages. Page 22 aspects du comportement et du TRADUCTION DES FIGURES Figure 1 - Assemblages dans une ossature multi-étagée (a) Soudures d'angle (b) Soudures en bout Figure 2 - Types de soudure différents pour joint en T Boulons en traction Boulons en cisaillement Figure 3 - Boulons sollicités en traction et en cisaillement Cisaillement Traction Figure 4 - Boulons soumis simultanément à traction et cisaillement. Cornières d'âme Cornières de semelles Platine d'extrémité Plats de recouvrement des semelles Profilés en T Figure 5 - Parties d'assemblages boulonnés Flexion locale de la semelle du poteau Plastification de l'âme du poteau Plastification de l'âme en cisaillement Voilement local de l'âme du poteau Figure 6 - Modes de ruine locaux dans un assemblage poutre-poteau non raidi Raidisseurs d'âme Raidisseurs d'âme Plats de renfort des semelles Plat de renfort soudé de l'âme Figure 7 - Possibilités de raidissage des zones potentiellement faibles dans les assemblages poutre-poteau. Figure 8 - Raboutages de poteaux. Page 23 Figure 9 - Pieds de poteaux Figure 10 - Assemblages poutre-poteau articulés Figure 11 - Assemblages poutre-poteau rigides Figure 12 - Assemblages poutre-poutre articulés Figure 13 - Assemblages poutre-poutre rigides Figure 14 - Assemblages horizontaux de contreventements Figure 15 - Assemblages verticaux de contreventements Cas de base Alternatives Moins d'acier Plus de soudure Fabrication des platines, etc. Trous supplémentaires + 2 trous + 6 trous Différence Figure 16 - Différents dimensionnements d'une poutre de structure contreventée. Page 24