Foshan Shengbang Steel Structure Co., Ltd.
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Introduction aux charpentes à portiques

Les charpentes en portiques acier (ou fermes) sont les charpentes les plus communément utilisées pour la réalisation de bâtiments industriels ; ce type de structure fait appel à un ensemble de portiques placés de manière parallèle et constituant l'essentiel de la charpente. Chacun des portiques est rigide, et est capable de résister aux contraintes horizontales du vent ; ce type de charpente est souvent utilisé pour les bâtiments à un niveau. Comparé à une charpente en traverses et poutrelle, les charpentes en portiques sont d'une réalisation plus simple, pour une hauteur structurelle moins élevée et un entretien (revêtement de surface, etc.) facilité.

Les portiques étant préfabriqués en usine, leur montage peut se faire rapidement, pour une économie de temps et de main-d'oeuvre considérable. La versatilité de ce type de structure la rend adaptée aussi bien pour des constructions simples que pour des charpentes complexes, selon le besoin.

Types de charpentes en portiques
1. Section transversale constante
2. Type effilé
3. Portique avec voie de roulement pour grue
4. Arbres de grue séparés
5. Voie de roulement pour grue sur arbalétrier (2 images)
6. Poteaux multiples

Image 10.16 Types de charpentes en portiques : (a ) Section transversale constante ; (b) à (d)
Type effilé ;(e) POrtique avec voie de roulement de grue ;(f) Portique à poteaux effilés ;(g) Arbre de grue séparé ; (h) Voie de roulement pour grue sur arbalétrier ;(i) à (k) Poteaux multiples

Systèmes de cadre
Les charpentes en portiques bénéficient d'une résistance améliorée aux charges verticales et latérales.

1.BASE RIGIDE, 2. 2 articulations, 3. 3 articulations , 4. Inflexion , 5. Inflexion , 6. Pas d'inflexion

Base rigide

1. Préparation de la base , 2. Poteaux base ridige

1. Base rigide , 2. BM transféré au plancher via la base

Une charpente en portiques à base rigide se caractérise généralement par un cadre plus léger, pour un socle plus lourd. Avec une flexion répartie du sommet à la base, le moment de flexion change au niveau 0 d'inflexion.

Les connexions en boulon sont placées aussi loin que possible de la ligne centrale des poteaux ; le but de cette disposition est de transférer le moment de flexion via la connexion. Une base rigide supporte le moment de flexion et les charges axiales via le système de socle, ce qui permet de réduire d'autant le moment de flexion à travers la charpente. Les charpentes à base rigide sont utilisées principalement sur les fondations précaires ; leur action structurelle est cependant largement améliorée car elle met à profit tous les composants de la charpente.

Charpentes portiques à articulations

1. Connexion base 2 articulations , 2. Socle charpente portiques à articulations , 3. Jonction

Les charpentes à articulations sont des charpentes à connexions flexibles généralement utilisées pour les bâtiments à faible portée et hauteur de poteaux ; l'avantage de ce type de structure réside notamment dans le faible coût du socle : en effet, les socles ne nécessitent pas de résister à des moments de flexion importants.

Portique 2 articulations

1. Portique 2 articulations , 2. Connexion sommet rigide , 3. Articulation Articulation

Le moment de flexion maximal se trouve sur le sommet et au niveau des charnières, ces deux éléments étant rigides ; aucun moment de flexion n'est observé au niveau de la base et sur les points d'inflexion. Les seules connexions d'articulations se trouvent à la base des poteaux.

Portique 3 articulations

1. Portique 3 articulations , 2. Connexion sommet rigide , 3. Articulation Articulation

Une connexion d'articulation se trouve au sommet et au niveau du socle ; l'avantage d'un portique à 3 articulations est que ce type de structure ne transfère pas les moments de flexion au sommet ou au socle ; les charnières sont les seuls éléments rigides sur ce type de design, aussi supportent-elles le moment de flexion maximal. Les portiques à 3 articulations ne présentent aucun point d'inflexion.

Fonction
Les portées large jusqu'à 40 mètres peuvent être réalisées via traverses universelles ou traverses soudées.

Il est indispensable lors de la conception d'une charpente à portiques de bien situer les points soumis à une forte contrainte. Les charpentes à portiques sont généralement conçues avec des systèmes de toit à pente faible, et la structure acier permet de limiter l'impact des contraintes via les charnières et cela jusqu'aux fondations.

Ce type de design prend en compte les charges susceptibles d'agir sur la charpente, ainsi que les éléments requis pour assurer un mouvement minimal sous l'action de ces charges.

Construction
Eléments d'une charpente à portique classique

Détails socle

Etançon/Poteau

Etançon/Poteau
Traverse universelle en acier doux

Les éléments de compression sont toujours soumis à une compression combinée à une force de flexion ; les moments de flexion peuvent résulter d'une application excentrique des charges ou d'une action globale de la charpente. La capacité de compression d'un élément se trouve réduite par la présence de moments de flexion.

Arbalétriers/traverses

Raidisseurs d'âme
La fonction principales des raidisseurs est de résister aux forces de cisaillement résultant des variations de moments de flexion le long de la portée ; les raidisseurs servent également à recevoir les forces de réaction et à les disperser.

Contreventements

1. Contreventement diagonal 20mm
2. Ajustement de contreventement

Pannes & entretoises

1. Panne Z, panne C formées à froid
2. Entretoises Z, entretoises C formées à froid

Les pannes fournissent un soutien latéral mais non rotationnel ; elles sont généralement réalisées en acier à froid, présentent un poids réduit et sont facilement installables.

Maille de sécurité

1. Maille de sécurité pour travaux sur toiture

La maille de sécurité doit être correctement fixée avant tout travail sur toiture ; ce type de dispositif de protection est conçu pour éviter tout risque de chute de l'opérateur.

Contreventement structurel/contrventement voile

1. Contreventement voile

En cas de soulèvement, les ailes inférieures d'une charpente en portiques sont soumises à compression ; dans de tels cas, les arbalétriers sont attachés aux pannes au niveau de tension des ailes. Afin d'améliorer la capacité des éléments, on procède généralement à un blocage latéral des arbalétriers, via l'utilisation d'un contreventement joignant l'arbalétrier aux pannes.

  • Etanchéité
    Sous-toiture et isolation
  • Couverture
    Toiture droite ou ondulée
  • Isolation murale

Systèmes de plancher
Les systèmes de structures à portique sont généralement montées sur des dalles en béton armé ; ce type de dalle présente plusieurs avantages : capacité de charge élevée, absorption des émissions sonores, surface plane, etc. Cependant, il faut signaler également que ce type de solution est relativement coûteux, présente un poids important et est difficilement modifiable.

Une autre option de système de plancher pour structures en portiques est la dalle en béton armé composite, qui présente notamment l'avantage d'être plus économique grâce à l'action combinée des poteaux acier.

Connexions
Les pièces de connexion jouent un rôle important dans les structures métalliques ; le processus de fabrication des connexions est long et difficile : de nombreuses pièces de tailles réduites doivent être conçues conformément à des tolérances extrêmement faibles, et doivent répondre aux exigences suivantes :

1. Solidité :
a. Répartition directe des charges
b. Eviter toute concentration des contraintes
c. Capacité à transférer les contraintes efficacement

2. Résistance à l'usure :
a. Aucune présence de défauts type encoches
b. Solidité des soudures

3. Adaptabilité :
a. Eviter tout risque de rétention d'eau
b. Facilité d'application des revêtements de protection
c. Limite d'élasticité adaptée aux charges de service

4. Maîtrise des coûts :
a. Design simple
b. Nombre d'éléments de connexion minimum
c. Nombre d'éléments connectés minimum

Boulons HR
Figure 10.17
Connexions charpente à portiques : (a) connexions soudées en chantier ; (b) Contreventement latéral A-B ; (c) Connexion par boulons ; (d) Connexion stub

Durabilité
Le concepteur de la charpente à portiques doit s'assurer que la structure se comporte de manière conforme aux exigences, et qu'elle est capable de remplir sa fonction une fois soumise aux charges de service. Deux des points les plus importants à prendre en compte lors du design d'une charpente sont les risques de déformation excessive et les risques de vibrations excessives.

Une déformation trop importante est la cause d'une grande partie des problèmes rencontrés par les bâtiments industriels, incluant notamment :

1. Revêtements et couvertures endommagées, résultant en des problèmes d'étanchéité ;
2. Rétention d'eau sur les toits à pente faible, risques de fuites.
3. Affaissement visible au niveau des arbalétriers ou des plafons suspendus.
4. Déformation des toitures durant l'entretien.
5. Mauvaise tenue sous charges de vent : fissures, grincements, etc.
6. Fixations endommagées, risque d'effondrement des panneaux de bardage intérieurs, support de plafond insuffisant.
7. Dangers lors de l'utilisation des systèmes de levage fixés aux arbalétriers.
8. Dangers lors de l'utilisation des potences de levage.

Bien que les risques de vibrations excessives et les déformations qui en découlent soient considérées comme problématiques, il faut cependant retenir que ceci peut être un avantage pour les bâtiments conçus en zones sismiques. En tout état de chose, rappelons que le coeur du problème se trouve dans la ductilité générale de l'ensemble, et que la qualité et le design des connexions reste l'un des aspects primordial dans la conception d'une charpente à portiques.

Diverses autres précautions doivent être prises afin de garantir la meilleure durée de vie : application de revêtements anti-corrosion, résistance au feu, galvanisation, etc.

Matériaux

Les charpentes à portiques métalliques sont particulièrement efficientes en termes de d'utilisation du matériau, sans pour autant sacrifier leur intégrité structurelle ; il s'agit là d'une des raisons princpales de leur prix compétitif.

Des profilés en acier laminé sont utilisés pour les poteaux, traverses, arbalétriers, etc., conçus généralement par analyse d'élasticité.

Différents critères sont pris en compte lors de la conception des poteaux et traverses des charpentes à portiques métalliques : limites de résistance, déformabilité, facilité d'entretien, résistance à la compression, répartition des contraintes, etc.

L'acier est un matériau présentant de nmobreux avantages : qualité supérieure, polyvalence pour la production en usine, polyvalence pour l'installation sur site, facilité de préfabrication, précision, etc.