Types fondamentaux de raccordements utilisés dans la construction en ossature métallique
Les bâtiments à ossature en acier nécessitent l’intervention de dessinateurs spécialisés en structures métalliques afin d’assurer des liaisons structurelles robustes entre poutres et colonnes, car il convient de prendre correctement en compte les efforts structuraux. Les liaisons de construction entre paires poutre/colonne peuvent être réalisées par soudage, boulonnage, rivetage ou encastrement articulé/fixe. Les soudeurs peuvent fusionner les matériaux en acier afin de créer un chemin de charge contraint en acier robuste, ce qui est souhaitable lors du raidissement d’une ossature contre le moment fléchissant. C’est au tour des boulons lorsque l’on recherche des structures flexibles et mobiles. Ces éléments de fixation pour liaisons structurelles, tels que les boulons de classe 8.8, présentent un avantage considérable lorsque les entrepreneurs chargés des travaux structurels doivent effectuer des ajustements sur site, ce qui revêt une importance particulière dans le cadre de la réhabilitation sismique de structures ou lorsque les liaisons structurelles ne s’ajustent pas parfaitement. Les liaisons rivetées sont aujourd’hui considérées comme obsolètes et ne se rencontrent plus guère que dans des ouvrages historiques. Elles présentent toutefois l’avantage de résister aux oscillations grâce à leur procédé de fabrication spécifique, qui ne fait pas appel à la chaleur. Les liaisons articulées autorisent une certaine rotation des éléments structurels, ce qui est essentiel pour les ponts afin de permettre leur dilatation et leur contraction dues aux variations de température. À l’inverse des liaisons articulées, les liaisons fixes immobilisent totalement les éléments structurels dans une position donnée. Ce principe est fondamental pour les gratte-ciels résistant aux charges latérales, afin d’assurer leur stabilité. Leur valeur esthétique est importante, mais les ingénieurs en structure doivent également tenir compte de la facilité et de la rapidité de leur mise en œuvre, des coûts liés à la structure elle-même, ainsi que du niveau d’entretien attendu pour l’ouvrage à l’avenir.
Connexions soudées ou boulonnées entre poutres et poteaux
Le soudage assure une résistance, un meilleur contrôle et un respect intégral de la norme EN 1993-1-8
Le soudage d'une poutre à une colonne dans les ossatures en acier augmente la rigidité globale et permet une meilleure répartition des charges dans l'ensemble de la structure. Les joints soudés à pénétration totale, lorsqu'ils sont correctement réalisés, sont plus efficaces pour constituer des liaisons rigides que les liaisons réalisées à l'aide de plusieurs boulons, notamment lorsque ces liaisons rigides sont soumises à des charges continues dans le temps. La norme EN 1993-1-8 est devenue une référence dans le secteur pour de nombreuses raisons méritoires. Ces spécifications préconisent l'emploi de personnel qualifié, bien informé de ses tâches et responsabilités, y compris l'inspection des soudures. La plupart des ateliers vont jusqu'à effectuer des essais par ultrasons afin de détecter d'éventuels défauts de soudure. Ce type de soudure élimine les problèmes liés à l'utilisation de boulons (par exemple, le desserrage des boulons), mais leur conception et leur mise en œuvre sur site exigent une plus grande responsabilité et une plus grande attention de la part des opérateurs. En particulier, les variations météorologiques survenant pendant le procédé de soudage doivent être maîtrisées.
Connexions boulonnées : systèmes avec platine d’extrémité, avec appui et avec platine d’aile
Du point de vue de l’assemblage des modules, la connexion boulonnée offre les avantages les plus importants dans la construction de structures en acier. Actuellement, les types de connexions les plus répandus et les plus largement acceptés sont les trois suivants :
- Les connexions avec platine d’extrémité, qui permettent de transmettre le moment de la zone tendue inférieure à la zone tendue supérieure, ou de la zone comprimée inférieure à la zone comprimée supérieure (et vice versa).
- Les connexions avec appui, qui assurent le maintien vertical à l’aide d’une ou plusieurs cornières inférieures.
- Les systèmes de connexions avec platine d’aile, qui permettent un montage plus rapide sur site grâce à leur plan de cisaillement simple.
La plupart des systèmes, tels que décrits ci-dessus, sont conçus pour atteindre l’objectif de compenser les variations des tolérances structurelles et les modifications apportées. Lors des récents essais structuraux, les plaques d’extrémité étendues (EEP) ont démontré une amélioration allant jusqu’à 15 % de la résistance aux moments par rapport à celle observée avec les conceptions à plat. Les ajustements sur site permettent une plus grande marge de variabilité dans la fabrication et la conception structurelles que ce qui serait autrement requis.
Facteur de liaison : soudé / boulonné
Rapidité d’installation : lente (soudage sur site) / rapide (préfabriqué)
Souplesse des modifications : limitée / souple
Complexité de l’inspection : nécessite des essais non destructifs (END) / contrôle visuel
Résistance aux vibrations : supérieure / nécessite des écrous freinés
Considérations de conception pour des liaisons sûres et économiques de charpentes en acier
Transfert des moments, ductilité et efficacité des assemblages
Les structures à ossature en acier atteignent des performances optimales lorsque les assemblages assurent un équilibre approprié entre la transmission des moments et la déformation. Dans le cas d’assemblages rigides, il faut trouver un juste équilibre entre une déformation excessive et une répartition suffisante des charges vers les autres éléments de la structure. En revanche, les besoins sont encore plus marqués pour les assemblages articulés, car ces derniers doivent posséder une souplesse rotationnelle suffisante afin d’éviter l’apparition de concentrations de contraintes susceptibles de provoquer une rupture sous l’effet de pressions. La ductilité revêt une importance primordiale dans la conception parasismique. Une dissipation d’énergie par déformation contrôlée des assemblages, jusqu’à un mode de ruine prédéterminé, est requise lorsqu’ils sont soumis à des secousses sismiques. L’efficacité globale des assemblages est directement liée au coût global de la structure. Une bonne conception des assemblages permet d’atteindre les performances requises avec une consommation moindre de matériaux, tout en conservant la rigidité nécessaire. Il n’est pas rare que la conception des assemblages figure parmi les priorités absolues des ingénieurs structures, notamment lorsque l’on souhaite que la résistance aux moments de l’assemblage atteigne 90 % tout en autorisant une rotation. Cela implique généralement des compromis et des arbitrages entre les différents paramètres de performance.
Documentation pour la conception et le montage de sections en forme de H
Lors du montage sur site, le protocole consiste à serrer les éléments de fixation haute résistance à environ 70 % du couple maximal, tout en assurant un alignement de la poutre dans une tolérance de L/500. Des contreventements temporaires sont requis jusqu’à ce que 75 % des assemblages atteignent leur résistance nominale. Cela réduit au minimum les difficultés sur site, car le serrage des boulons aggrave généralement ces difficultés lorsque l’alignement est déficient. Une répartition uniforme des charges à travers la structure garantit des performances optimales.
Questions fréquemment posées
Quels sont les types d’assemblages utilisés dans les structures en ossature métallique ?
En général, les assemblages sont classés en soudure, boulonnage, rivetage, ainsi qu’en articulations par goupillage ou fixation.
Quel est l’avantage des assemblages soudés dans les structures en ossature métallique ?
L’avantage des assemblages soudés réside dans leur rigidité accrue, ce qui se traduit par de meilleures performances sous charge pour la section, grâce à une répartition efficace des charges sous sollicitation uniforme et permanente.
Quels sont les avantages des assemblages boulonnés en construction métallique ?
Les avantages de la configuration boulonnée découlent de la construction modulaire, de la flexibilité en matière de reconfiguration et des tolérances structurelles qui facilitent les ajustements sur site.
Comment les principes de conception influencent-ils les assemblages de charpente dans la construction métallique ?
Les principes de conception de la construction métallique visent à équilibrer la transmission des moments, la ductilité et l’efficacité des assemblages, afin que la construction soit sûre, durable et économique.