1. NOTIONS FONDAMENTALES1.1. Quelques notions historiques :

L'apparition de l'acier en construction est concomitante au développement de l'industrie de l'acier.

On a donc observé une explosion de l'emploi de l'acier à partir du 19eme siècle au cours duquel les

hauts fourneaux fournissent en quantité importante un produit de relativement bonne qualité.

Quelques dates : - 1884 Le viaduc de Garabit- 1889 : la tour Eiffel

- 1889 La Galerie des Machines à Paris- 1890 environ : La reconstruction de Chicago après l'incendie. Mise

en oeuvredes méthodes de protection contre le feu des structures aciers des

bâtiments.- 1929 – 32 : Maison de verre de Pierre Chareau.

- 1976 Le centre Beaubourg.- 1991 L'aéroport de Stansted par Foster.

1.2. Les principes mécaniquesLe fonctionnement mécanique des ossatures en acier ne diffère en rien, quant

aux principesfondamentaux, du fonctionnemment de n'importe quelle ossature. Les éléments

flêchis sont toujoursflêchis, les comprimés, comprimés... etc.Toutefois, on relèvera que certaines différences de nature de matériaux induisent

des différences decomportement ou de potentiel de fonctionnement.On notera tout particulièrement :- L'acier est un matériau homogène et isotrope.- Sa limite élastique (traction ou compression) est nettement plus élevée que celle

du béton. Lesaciers de construction courants ont une limite élastique de 2400 daN/cm² pouvant

atteindre 3600daN/cm².- Sa densité est élevée (7,6)- Différents modes d'assemblages sont possibles offrant une grande liberté de

conception.

2. LES PRINCIPAUX TYPES D'ORGANISATIONS STRUCTURELLES

On retiendra trois organisations principales ; Les systèmes à portiques ou arcs, les ossatures poteaux -poutres les structures spatiales.

2.1. Les systèmes à portiques ou arcs

Dans ces systèmes structuraux, toutes les charges sont ramenées sur des éléments plans disposés parallèlement.

Ces éléments sont, soit des portiques, soit des arcs.D'une manière générale, lorsqu'il s'agit de porter des

planchers, on utilise plus facilement des portiques qui offrent, par leur traverse, un élément plan et horizontal propice à l'appui des éléments de planchers.

Attention à différencier le type de structure du mode de construction. Un arc peut être constitué d'un profil

simple ou d'un treillis plan ou spacial sans que cela change le principe de son comportement en grand.

Les différents types de portiques vous sont connus. Ils sont répartis en deux groupes; encastrés ou

articulés en pied.La conséquence du déplacement de l'encastrement

est une répartition différente des moments et doncun déplacement de la matière (l'articulation en pied

permet un affinage du pied de béquille). Se sont des

systèmes hyperstatiques.

Pour le contreventement

Il existe des portiques à trois articulations (articulation au centre de la traverse). Cette articulation

supplémentaire ramène le portique dans le domaine isostatique.

Le système à portiques est décliné à l'infini dans la plupart des constructions industrielles.

On peut également construire des portiques à plusieurs étages et à travées multiples. Les ossatures

métalliques d'immeubles sont souvent traitées ainsi.

Le système de portique ou d'arc est autostable dans son plan (il ne nécessite pas de contreventement

dans le plan du portique) mais doit être contreventé transversalement.

Ce contreventement est organisé autour d'une ou plusieurs palées de stabilité et des pannes sablières

(ou autre élément similaire) qui permettent le transit des efforts vers la zone stable.

2.2. Les systèmes poteaux poutres

Il s'agit du système le plus simple dans lequel on appuie directement sur les têtes de porteaux, des poutres qui reçoivent redirigent les efforts.

Ces bâtiments sont donc constitués d'une structure linéaire verticale recevant, sans encastrement, une structure linéaire horizontale.

Les éléments horizontaux fonctionnent, de manière générale, suivant un schéma de poutre sur deux appuis. Ils sont nécessairement plus résistants que leur homologues des portiques qui bénéficient de

l'encastrement sur la béquille (réduction du moment en travée induite par l'effet de l'encastrement aux appuis).

Par contre, les poteaux sont moins sollicités et ne travaillent qu'en compression (avec la sujétion de flambement).

Le contreventementLe contreventementCes structures ne sont stables dans

aucune des deux directions horizontales. Elles doivent être

contreventées dans les deux directions.Elles présentent l'avantage de faciliter les

liaisons entre la poutre et le poteau (simple articulation), et

permettent d'obtenir des poteaux fins (pas de moment dans le poteau).

- Exemple : Centre Beaubourg dans lequel les poteaux extérieurs reçoivent les grandes poutres

sur une articulation équilibrée par le tirant vertical via la "gerberette". Ce bâtiment est contreventé par des

X dans les deux directions principales.

2.3. Les Structures SpacialesIl s'agit de structures dans lesquelles l'organisation de la matière s'opère

dans les trois directions. Lesystème d'ossature comprend une certaine quantité de matière organisée

de manière à occuper unvolume supérieur à son volume propre. Les caractéristiques géométriques

d'inerties sont donc améliorées par rapport à l'utilisation classique.Ce type de structures offre des possibilités de franchissements très

importants (100 m voire plus) et permet de gagner de la portée dans les deux directions lors de la mise en oeuvre de nappes.

Nous allons revenir sur ces éléments.La réalisation des ces structures complexes passe par l'utilisation de sous-

ensembles plus simples quenous appellerons les "éléments de charpentes".

L’importance de porte-à-faux

3. LES ELEMENTS DE CHARPENTES

Tous ces éléments peuvent être utilisés simplement ou combinés entre-eux pour former une structure

plus complexe.

3.1. Les éléments simples :Les ouvrages de charpentes complexes peuvent être réalisés au

moyen d'éléments très simples (Tour Eiffel avec de la cornière).On trouve, dans le commerce, des éléments préfabriqués regroupés sous l'appellation PCC (profilés courants du commerce).Les plus connus sont les profils laminés à chaud dans lesquels on retrouve les célèbres IPE.(voir le tableau)De nombreuses formes et dimensions de profilés permettent de traiter un grand nombre de cas courants.

IPE

3.2. Les PRS :

Il s'agit des Profils Reconstitués Soudés obtenus par assemblage par mécano-soudure d'éléments

divers (en général des plats).Cette technique est employée pour obtenir

des profils sortant de la gamme des PCC (très grands I par

exemple), ou des profils présentant une forme particulière (poutre à inertie variable).

Ces PRS peuvent être à âme pleine ou ajourée pour une recherche de gain de poids.

Beaucoup de portiques sont réalisés avec des PRS.

Sujetions principale des PRS : Le voilement et le déversement de l'âme.

Réponse : Epaississement de l'âmeRaidissement par goussetsRaidissement par ondulations.

3.3. Les Eléménts Plans Il s'agit d'une application directe de la recherche de rigidité en

rationnalisant les poids.

Le théorème de Huygens nous enseigne que l'inertie d'une section par rapport à un axe quelconque croitcomme le carré de la distance entre l'axe et le CdG de la section. (I = I0 + S x d²)

La Poutre Treillis :La recherche de l'éloignement de la matière par

rapport à l'axe neutre (qui s'exprime, au départ, par la

géométrie du profil en I) amène, en allégeant l'âme du I au concept de la poutre treillis. C'est l'archétype

de la structure plane.Dans celle-ci, les diagonales et traverses maintiennent

de la matière éloignée de l'axe neutre. Les effortstransitent par les barres, des points d'application, vers

les points d'appui. Chaque barre doit donc êtrevérifiée par les procédés de calcul des éléments en

treillis (le plus connu étant les épures de Crémona).

La ruine de ce type de poutre intervient en général par flambement d'une diagonale, rupture d'un noeud

ou déversement général.Cette poutre est très rigide dans son plan. Elle ne l'est

pas hors du plan.La forme du treillis détermine la dénomination précise

de la poutre (poutre en N Pratt, en V Neuville, encroix Warren...).

Poutre en X

Poutre en V

Plat de jonction

Terminologie : Membrure (basse, haute), Montant, Diagonale (cf lexique)Suivant l'organisation du treillis, les diagonales et montants

travaillent différemment (traction -compression).

On signale, pour mémoire, la poutre échelle, qui est l'expression la plus simple de la poutre treillis dans

laquelle les montants sont comprimés.L'essentiel consiste en la recherche d'une inertie maximale

avec un poids minimum.On remarque qu'historiquement, la poutre treillis a été

extrêmement utilisée. Cette utilisation a étéfacilitée par la maîtrise de la technique d'assemblage par

rivets.

3.4. Les Structures Tridimensionnelles :

La poutre treillis permet d'obtenir de l'inertie dans un plan, la poutre tridimensionnelle dans deux plans.

Pour répondre à des cas de charges nécessitant une grande raideur dans les deux directions ou pour

permettre d'augmenter l'inertie verticale sans engendrer de déversement, on a développé le concept de

la poutre tridi, qui présente une stabilité parfaite.La terminologie est la même que pour les poutres planesLes portées potentielles de ces éléments dépassent 100 m.

C'est le symbole de l'architecture hi-tech des années 70 à 80.

La poutre tridimensionnelle :

Nappes :

La nappe la plus simple est constituée d'un réseau de poutres simples, disposées en générale de façon

orthogonale et reposant sur des appuis disposés en rives. Lorsque les appuis forment un carré, les

efforts sont également répartis dans la nappe dans les deux directions. Pour augmenter la capacité de la nappe, on peut remplacer les poutres simples par des poutres planes ou tridimensionnelles.

On obtient alors une nappe spaciale apte à reprendre des efforts importants dans toutes les directions.

Le potentiel de franchissement de ces ouvrages atteint facilement 60 à 80 m.

3.5. Eléments divers :

- Gousset - Platine - Fourrure - Sommier cf lexique

4. LES ASSEMBLAGES

On dispose de quatre types d'assemblages :

-1- L'assemblage riveté.

-2- L'assemblage boulonné.

-3- L'assemblage soudé.

-4- L'assemblage par axe.

4.1. Les assemblages rivetés :

Le rivet est une pièce métallique constituée d'un corps (le collet) et d'une tête qui est mise en place dans

un percement et dont l'extrémité est ensuite matée du coté opposé à la tête afin de relier deux pièces

ayant un contact plan.L'effet de liaison s'opère du fait de l'impossibilité de la

tête du rivet ou de la partie matée de passer àtravers le trou. Par ailleurs, le matage du rivet induit un

effet de serrement qui plaque les deux pièces àrelier l'une contre l'autre.

Ce type de liaison a été longtemps le seul moyen d'assemblage disponible avant l'apparition de la

boulonnerie de haute qualité et de la soudure.On notera que la méthode de mise en oeuvre rend difficile

la réalisation d'encastrement.Compte tenu des diamètres maxima pouvant être mis en

oeuvre et de la relativement faible force deserrage développée par chaque rivet, les assemblages

comptent un nombre important de rivets, ce quiconfère un aspect particulier à ces ouvrages.Aujourd'hui, le rivetage n'est plus utilisé en dehors de la

restauration des ouvrages anciens ou dans lecadre d'une utlisation à des fins esthétiques.

4.2. Les assemblages boulonnés :

C'est un des deux modes d'assemblage modernes qui sont universellement utilisés de nos jours.

Constitution d'un boulon :- Vis, Ecrou, Rondelle.La boulonnerie est devenue très performante dans la

deuxième moitié du 20 eme siècle, notammentavec l'apparition des boulons "H.R." (haute résistance). Ce

sont des boulons qui possèdent descaractéristiques mécaniques élevées permettant un

serrage efficace. Ce serrage provoque, à l'intérieurde l'assemblage, un état de précontrainte (tension dans le

boulon, pression entre les pièces reliées).

L'effort de serrage induit par les boulons est suffisamment important pour générer des forces de frottement entre les pièces serrées. Ces forces de frottement s'opposent aux efforts de glissement entre

les deux pièces. Le cisaillement est, dans ce cadre, repris, non pas par le boulon, mais

par le frottement entre les deux pièces.Ce fonctionnement autorise la mise en oeuvre d'assemblages entre

pièces très fortement sollicitées.Des efforts de plusieurs dizaines de tonnes transitent dans les

assemblages boulonnés.L'assemblage boulonné est aisément mis en oeuvre sur chantier et

facilite la fabrication en atelier des éléments d'ossature. Il convient parfaitement bien aux éléments prévus pour être

démontables, mais les assemblages boulonnés ne sont pas considérés comme provisoires et interviennent également dans les

structures définitives.

4.3. Les assemblages soudés :La soudure s'est généralisée il y relativement peu de temps

pour deux raisons principales :. Son utlisation nécessite une source électrique puissante et

régulière. Les aciers doivent avoir une composition chimique

permettant la soudure, ce qui n'était pas le cas desaciers anciens.La méthode de soudure permet de constituer un assemblage

par continuité de matière. En effet, lasoudure consiste en la mise en place, par élévation de

température, d'un bain de métal en fusion quis'unit aux pièces à relier. L'échauffement est obtenu par

création d'un arc électrique entre une électrodemétallique et les pièces à souder.

La qualité du métal d'apport est toujours supérieure à celle des aciers à souder.

La technique de soudure est riche de nombreux détails (type et dimensions des cordons, organisation du

joint, qualité du métal d'apport...) et permet des interventions efficaces dans la quasi-totalité des cas.

La soudure se pratique préférentiellement en atelier, avec du matériel lourd (soudure semi-automatique)

permettant la réalisation de cordons très réguliers et de qualité parfaite.

Elle peut également se pratiquer sur chantier au moyen de postes légers. Les conditions de mise en

oeuvre étant moins bonnes, le risque de malfaçon est plus important. Au titre des malfaçons les plus

courantes, on relèvera les points suivants :

. Effet de "collage" par défaut de soudure en profondeur (mauvaise distance électrode - métal).

Dans ce cas, les pièces semblent fixées, mais la liaison n'est pas une liaison à coeur, c'est un simple collage qui n'offre aucune résistance.

. Effet de bullage du cordon (inclusion de laitier dans le cordon).

. Mauvais état de surface des pièces à souder (présence de corps gras).

. Baguettes défectueuses (baguettes humides ou trop vielles, inadéquation entre le métal d'apport

et le métal des pièces à souder...)

Contrôle :

Le contrôle des soudures s'effectue par radiographie. Il est très performant, mais relativement onéreux.

L'aspect visuel d'une soudure ne renseigne que très partiellement sur la qualité réelle de la soudure. Il

convient, pour en apprécier la qualité, de conduire une auscultation en profondeur pour déterminer le

niveau de liaison à coeur.A noter qu'une soudure ne se meule jamais.On retiendra, en première approximation, qu'un cordon de

soudure de taille classique (4 mm) reliant deuxpièces et subissant une traction, présente une résistance

de l'ordre de 1000 à 1500 daN/cm linéaire decordon.

Cette valeur illustre les capacités mécaniques très élevées de la soudure.

La soudure entre deux pièces est une des solutions pour obtenir un encastrement.

- Aspect sismique : Comme on l'a déjà évoqué, l'assemblage soudé, du fait de sa rigidité,

présente une réaction aux sollicitations sismiques qui n'est pas favorable. Le coefficient d'amortissement dans le cas des soudures est en effet plus faible que pour des assemblages boulonnés.

4.4. Les assemblages par axe :

On l'a vu, l'ossature métallique favorise l'expression des concepts fondamentaux de la statique. On observe très fréquemment des constructions qui expriment de façon explicite, par exemple, le

cheminement des efforts dans les contreventements (on pense notamment aux X de contreventement

du centre Beaubourg). Au niveau des assemblages, cette remarque prend une dimension toute

particulière. Le traitement des différentes conditions d'appui amène à des formes adaptées qui favorisent

la lecture de l'organisation mécanique. A ce titre, l'assemblage par axe est une illustration parfaite de

l'expression de la réalité mécanique.

L'assemblage par axe est la parfaite expression de l'articulation.

Terminologie : - Axe- Goupille- Flasque- Cadenne cf lexiqueOn remarquera que l'axe travaille en cisaillement pur dans la

mesure où les flasques de la cadenne sontsuffisamment rapprochés pour éviter la flexion dans l'axe.L'assemblage par axe permet un montage aisé. Il se décline

à toutes les échelles et autorise le passagede fortes charges.

5. LES PLANCHERS SUR BACS ACIER

Il s'agit du mode de plancher le plus couramment associé aux ossatures métalliques. Le principe est de

réunir, dans un seul produit, les fonctions de coffrage et d'armature de dalle (un peu à l’instar de la prédalle).

On utilise une tôle largement nervurée et garnie de reliefs qui assurent l'adhérence entre le béton et la tôle, et l'on coule une dalle collaborante sur la tôle. Le couple acier béton joue de manière traditionnelle,mais avec l'acier situé en dehors de la dalle.

Ces planchers ont un sens de portée unique, donné par la direction des ondes (sens parrallèle aux ondes). Les deux rives latérales ne sont pas sollicitées.

Les épaisseurs courantes de ces dalles sont comprises entre 11 et 20 cm pour des portées de 2,5 à 4,5 m environ et des charges pouvant atteindre 1000 daN/m².

Le principe de ces dalles offre une grande facilité de mise en oeuvre (en dehors des sujétions d'étaiement) et en permet l'utilisation dans de nombreux cas. Les découpes sont aisées et la manutention des bacs est facile.

On notera que, très rapidement, l'espacement des porteurs conduit à l'apparition d'une sensation

d'élasiticité parfois désagréable, et que, d'une manière générale, on préfère rapprocher les éléments

supports et en diminuer la taille unitaire, ce qui permet d'éviter l'aparition de ce phénomène.

Dans ces planchers, comme pour des planchers bois, on parlera de solives pour les poutres

perpendiculaires au sens de portée.

La dalle

nervurée

Tôle en acier

7. LE COMPORTEMENT AU FEU

7.1. GénéralitésIl s'agit bien évidemment du principal problème à régler

dans le cadre de l'utilisation de l'acier dans laconstruction. On a vu que l'acier perd ses propriétés

mécaniques lorsqu'on le chauffe. Il convient doncde préserver les pièces de structure de l'élévation de

température.Deux pistes sont explorées :- Réalisation d'une barrière entre les pièces acier et les

sources potentielles.- Protection active avec, dans certain cas, amélioration de

la détection et de l'information despersonnes.

7.2. Les barrières thermiquesLa coupure thermique est obtenue par mise en oeuvre d'un

matériau non thermiquement conducteurentre le lieu de l'échauffement et la pièce à protéger.7.2.1. La peinture intumescenteIl s'agit du premier degré de protection. On applique, sur la

pièce à protéger, une peinture ayant despropriétés de réflexion de la chaleur. Cette peinture

retarde, un peu, l'élévation de la température de lapièce en acier.Les stabilités au feu escomptées avec la peinture

intumescente sont de l'ordre du quart d'heure, et, deplus en plus, cette technique est abandonnée du fait de sa

faible efficacité, et surtout du caractèrealéatoire de celle-ci.

7.2.2. Le flocageSolution très fréquemment adoptée, le flocage consiste en

la projection, sur les pièces métalliques, d'unmatériau fibreux (autrefois chargé en amiante et

aujourd'hui remplacé par un matériau dépourvud'amiante) qui isole thermiquement la pièce métallique.Cette projection se fait à la lance (propulsion à l'air). Elle

est rapide et relativement peu onéreuse.Les degrés de stabilité au feu obtenus atteignent 2 heures.

Les entreprises de flocage délivrent descertificats après réalisation de la protection qui garantissent

au concepteur l'efficacité de la protection.

On notera deux difficultés dans l'utilisation du flocage :- Esthétique. Ce procédé n'est valable que dans les parties

cachées (sauf à créer un élément de masquage spécifique.

- Durabilité de la protection, surtout dans le cadre des interventions des corps d'états de second

oeuvre (plombier, electricien...) qui endommagent très fréquemment la couche en réalisant leurs propres

travaux.On signalera également au même titre, la protection par

application de plâtre, directement sur la pièce àproteger. Cette technique, très employée avant l'apparittion

du flocage, est en perte de vitesseactuellement. Elle présente l'avantage d'offrir une

excellente durabilité de la protection.

7.2.3. L'encoffrement

Il s'agit d'une déclinaison de la technique d'isolement par barrière. On réalise cet isolement par mise en

oeuvre d'un coffre en matériaux non-conducteurs. En général, on utilise des plaques de plâtre sur carton

spéciales, offrant un degré coupe feu (placoflam par exemple).Les détails de mise en oeuvre doivent satisfaire à quelques

exigences, notamment en ce qui concerneles accessoires de montage des plaques qui ne doivent pas

constituer des ponts thermiques (agraphes"clipfeu").Une variante de ce principe est offerte par les faux plafonds

coupe-feu qui, par nature, constituent unebarrière entre les éléments situés au-dessus et le local

inférieur.

7.2.4. Variante du flocage, les systèmes de projection de matériaux spéciaux

Il s'agit de la mise en oeuvre d'une gangue de protection des éléments sensibles par projection d'un

produit spécial à base de fibres de céramique (kaowool), masqué ensuite par un habillage séparé de la

guange par une lame d'air. Ce système a été développé par Foster à la Hong Kong Bank, et une variante

(doublage des poteaux par une gangue de Glass Renforced Cement) a été mise en oeuvre sur le

chantier de l'aéroport du Kansaï (R. Piano). Sur ces réalisations, on se reportera aux publications

d'études de ces ouvrages.

7.3. Les protections activesLe sprinklageLe principe du sprinklage est de refroidir les pièces à

protéger par projection, lors de l'incendie, d'eausous pression afin de créer une athmosphère humide

qui abaisse la température.Les sprinklers sont répartis sur toute la surface à

protéger au rythme de 1/10 m² environ. Ils sontconstitués d'un orifice avec collerette de dispersion.

L'orifice est bouché en période normale par uneampoule remplie de liquide thermodilatable qui éclate,

sans aucune intervention, lors de l'élévation de la

température. Le réseau d'alimentation est prévu pour fonctionner de façon autonome sans recours au

courant électrique. Le réseau est alimenté par une ou plusieurs bâches qui distribuent l'eau de façon

gravitaire et maintiennent une pression permanente dans les tuyaux.

On notera toutefois, à la lumière de l’analyse des causes de l’effondrement des Twins Towers, que lors

de sinistres impliquant des hydrocarbures, la projection d’eau n’est pas une réponse judicieuse.

7.3.1. La Détection Incendie

Dans certains cas, la mise en place d'une détection incendie peut suffire à la protection du public. Il

s'agit, entre autres, de certaines charpentes de couverture. Toutefois, cette solution ne peut être

envisagée que dans des cas bien précis dont l'énumération ne rentre pas dans le cadre du présent

cours.