1

LA STABILITE DES CONSTRUCTIONS

2

PRÉAMBULE

En Architecture, en Construction, de nombreux matériaux sont utilisés tels lebéton, l'acier, le bois, le verre, la terre .... et autres.

Quand on parle d'architecture métallique, le métal employé est l'ACIER. Bien sûr,dans un même ouvrage, d'autres matériaux peuvent être joints à ce métal. Mais dans ce cas, l'acierest le matériau le plus utilisé dans toute ou partie de l'ouvrage construit.

Ainsi pour un immeuble possédant un parking souterrain, le parking non visible,sera en béton et la structure d'ensemble de l'immeuble sera édifiée en acier. Sur cette structureporteuse, des « murs » sont accrochés, l'architecte aura aussi prévu le matériau, les ouvertures, lescoloris etc.....

En bâtiment et travaux publics, une construction est généralement appelée «ouvrage », ainsi un ouvrage pourra être

- d'un bâtiment à usage d'habitation ou de bureaux -d'une bibliothèque

- d'une piscine, d'une tribune...- d'un bâtiment à usage industriel- d'une passerelle- d'un pont routier ou ferroviaire- d'un barrage sur un cours d'eau

Les ponts, sont toujours appelés ouvrage d'Art.

Les ouvrages dont on parle ont des dimensions d'ensemble importantes.

DESCRIPTION D'UN OUVRAGE EN ARCHITECTURE MÉTALLIQUE

Aujourd'hui les bâtiments où l'ACIER est utilisé sont techniquement conçuscomme l'indique sommairement la figure 1.Fig 1-1, c'est le bâtiment tel que l'a imaginé l'architecte et tel que nous le voyons del'extérieur.Fig 1-2 c'est la structure (ossature) en acier, conçue par l'ingénieur et réalisée par les ateliersd'une entreprise. Elle sert à supporter le poids des personnes, du matériel, des machines, lesouffle du vent, le poids de la neige... etc...Sous l'action de ces différentes charges le bâtiment doit rester stable... c'est-à-dire debout,Autrement dit, il ne doit pas y avoir ruine, pour des raisons de sécurité humaine etéconomiques.

3

Fig, 1

Pour se protéger des intempéries (pluies, neige, vent...), d'une chaleur ou d'un froidexcessif, on enveloppe le bâtiment d'une couverture et de murs. Ces murs sont des paroispercées ou non d'alvéoles pour les portes et fenêtres. Ces parois sont appelées bardages

4

quand elles sont verticales et couvertures pour les versants. Elles sont fixées sur lastructure.

Elles sont en matériaux divers et variés: métallique, verre, béton léger,bois... etc ... Leur présentation varip en fonction du matériau employé et de leur positiondans l'ouvrage. On trouve souvent des tôles en acier, elles ont les coloris demandés parl'architecte.Les pieds de la structure sont liés à des massifs de fondation en béton.

5

6

Au cours des siècles précédents et jusqu'au début du vingtième siècle, c'était les murs quisupportaient les charges évoquées précédemment. Ces- murs étaient maçonnés au moyen debriques, de blocs de terre séchée et dans le meilleur des cas à l'aide de pierre taillée.

Les maisons à colombages, Fig 2 , sont déjà des maisons avec ossature. Cetteossature était en bois et les espaces entre les poutres sont comblés par un torchis (mélange de terreet de paille) ou briques.

Fig. 2

COMPOSANTS PRINCIPAUX DES STRUCTURES

La structure se compose de « poutres », (ou « barres »), chacune ayant son rôle et son nom,ce sont les éléments principaux d'une structure. Les poutres, sont obligatoirementassemblées entre elles.

La section de ces poutres, pour des raisons de résistance et d'économie d'acier, a desformes appropriées comme les sections de la figure3.

7

« profil creux », improprement appelés « tubes »Fig. 3

De par sa configuration, « ... vue de loin... », la poutre apparaît analogue à un trait épais, c'estsous cette forme que nous la dessinerons sur le papier (ou l'écran), il en est de même pour unensemble de poutres fig. 4-1 et 4-2

RemarqueCes poutres peuvent être rectilignes (très souvent), mais aussi curvilignes.

8

Les liaisons entre poutres

En construction, le « point » de rencontre, et donc de liaison, entre deux poutres se nommeassemblage.

Nous considérerons trois liaisons : le nceud rigide, l'encastrement parfait et l'articulation.

LE NŒUD RIGIDE ET L'ENCASTREMENT PARFAIT

Deux poutres métalliques peuvent être assemblées entre elles rigidement soit parsoudure, soit par boulons (avec utilisations d'éléments métalliques intermédiaires) fig. 5

9

Dans les deux cas de la figure 5, il n'y a pas de mouvement relatif possible entre la poutre 1 et lapoutre2.

Quand la poutre ne peut pas « bouger » par rapport au massif, fig. 6, sa liaison avec le massif senomme « encastrement parfait ».

Une différence importante entre le neeud rigide et l'encastrement parfait : le nceudrigide peut se déplacer par rapport au sol, mais pas l'encastrement.

L'ARTICULATIONL'assemblage des deux poutres se fait au moyen d'un axe ou d'un boulon fig.7. Le seul

mouvement relatif possible entre les deux poutres est la rotation autour de l'axe.

10

11

L'articulation peut, bien sûr, se situer entre une poutre et un massif de fondation enbéton, fig. 9.

12

STABILITE DES STRUCTURES COMPOSEES DE POUTRES

Une structure est stable quand elle tient debout, elle ne se couche pas.

Constatations importantes

13

La figure à trois poutres et quatre articulations, fig. 10 C'est unestructure déformable, elle n'est donc pas stable.

La structure triangulaire de la figure 11, est géométriquementindéformable, la structure est donc stable.

Fig. 11

Le triangle est l'élément de base de la stabilité des constructions. Parfois il n'apparaît pasaussi clairement, mais il est toujours présent.

UTILISATION DANS LB CADRE D'UN BATIMENT

14

Dans un bâtiment, fig. 12, il y a direction transversale et une directionlongitudinale.

R Nt" ,~ Fto„Examen de stabilité transversale

A priori les portiques transversaux présentent trois poutres (deux poteaux et unetraverse) assemblées entre elles par des articulations. Ces portiques sont instables. Pour les rendrestables on peut faire apparaître un triangle, lié au sol, en installant une diagonale, fig. 13.

Fig. 13

Cette solution peut être retenue pour les pignons, mais pas pour le volume intérieur dubâtiment, les diagonales gêneraient. Pour les portiques intermédiaires il suffit de faire glisser ladiagonale vers le nceud 2, fig. 14- a. L'élément qui apparaît s'appelle un bracon ou encore unecontrefiche. Il est articulé à ses extrémités. On prévoit toujours d'en installer deux, fig. 14- b.

15

Si on fait encore glisser le bracon, il finit par « disparaître » et on obtient le naud rigidedéjà rencontré, (fig. 5 ). On obtient les schémas de la figure 15.

Examen de la stabilité longitudinale fig. 16Considérons le « long pan » de la file 2, où toutes les poutres sont articulées entre

elles. Sans triangulation le long pan se couche, fig. 16, Celui de la file 1 de même et finalement,c'est l'ensemble du bâtiment qui se couche pour arriver à la ruine.

16

Une diagonale installée dans un des longs pans, palliera aisément cette

instabilité, fig. 17.On notera que pour un long pan une seule diagonale suffit, une de plus serait superflue, par ailleursla diagonale peut être prévue dans n'importe qu'elle travée. Obligatoirement on fera la mêmechose pour l'autre log pan.

17

Une diagonale peut être gênante ou ne pas être retenue pour des contraintes architecturales, decommodité, d'accès (porte ...)...etc...., dans ce cas on revient au portique avec deux bracons fig. 18 a etb. Très souvent, quand on utilise des bracons, on en prévoit deux dans chaque travée, Fig 18-C

Aujourd'hui on prévoit surtout le portique à noeuds rigides Fig. 18-d.

18

APERÇU SUR LES PASSERELLES ET LES PONTS

Les besoins sont essentiellement de faire la jonction entre deux rives, deux lieux.

Les ponts reçoivent de fortes charges tels les véhicules automobiles ouferroviaires.La passerelle s'adresse aux piétons, les charges sont donc relativement modérées.

Pour les enjambement importants (des centaines de mètres) l'acier est retenu, car, paradoxalementl'ouvrage sera plus léger, aspect essentiel, en effet la fonction d'un pont n'est pas de porter sonpropre poids....

Quelque soit le principe de construction utilisé, un pont se compose d'unestructure porteuse, d'un tablier (la surface de circulation), de supports en rive (les culées) et si celaest nécessaire, des supports intermédiaires ( les piles).

On trouve globalement

Les ponts à poutres.

Les ponts suspendus (Tancarville pour le plus connu ... et pour ne pas être chauvin le Golden Gatequi se perd dans les brumes de San Francisco).Les ponts à haubans (le pont de Normandie sur l'estuaire de la Seine et de Brotonne près deCaudebec en Caux, toujours en Normandie, et le dernier né, le majestueux et élégant pont deMillau).Déjà ancêtre, le pont de Garabit construit par Eiffel et son équipe, c'est un ensemble de trianglesjuxtaposés comme l'était l'inoubliable c pont de la rivière Kwai ».Ponts en arc.Ponts à béquilles.

Sans oublier les ponts mobiles, ponts levis, pont tournants.

Présentation de certains d'entre eux

Cette présentation ne peut être ici que schématique.

1- Les ponts à poutres fig. 20 -a et 20 – b

Des poutres, deux ou plus, portent le tablier, elles reposent sur des culées et des piles sicela est nécessaire.

Aujourd'hui sont en expansion les « pont mixtes » dont le principe constructif fait appel àla « construction mixte ». Schématiquement, le tablier est une dalle en béton armé et précontraint,liée à des poutres en acier. Dans cette technologie les deux matériaux, l'acier et le béton, sontutilisés simultanément. Les capacités mécaniques de ces deux matériaux sont utilisées de façonoptimale, il n'y a pas concurrence, ils se complètent, les deux matériaux plus précisément lespoutres en acier et le tablier en béton, t r a v a i l l e n t e n s e m b l e . Cette alliance est aussi employéedans le bâtiment essentiellement dans les planchers (de séparation d'étages, de stockage....).

19

Fig. 20-b

2- Les ponts suspendus fig. 21

Le tablier est suspendu à des ..... suspentes, elles mêmes accrochées à « un câble » porteur, (ils'agit en fait d'un ensemble de nombreux câbles). Il y a deux câbles porteurs, un de chaque côté dutablier. Ils sont ancrés dans les culées passent, pour pouvoir prendre de la hauteur, par le sommetde pylônes. Sur les pylônes ils coulissent sur des sellettes.

20

3- Les ponts à haubans fig. 22Là encore le tablier est suspendu, mais les câbles font la liaison directe entre le

sommet du pylône et le tablier, ce sont les haubans. Remis à la mode depuis bon nombre d'annéesmaintenant, ils apparaissent en général dans brumes fluviales tels d'immenses et majestueuxvoiliers.

21

4- Les ponts à béquilles, fig. 23Le tablier repose sur les culées de rives et aussi sur des béquilles. Celles-ci ne sont

pas verticales comme le sont les piles habituelles, mais obliques et prennent appuis pratiquementsur les rives. L'ensemble est en acier. Le viaduc de Martigues dans les Bouches du Rhône en est unbel exemple.

22

5- Passerelle métallique fig. 24 et 25

La passerelle présentée doit par exemple enjamber une route et est uniquementréservée aux piétons. Pour éviter des poutres trop importantes en section il est a été prévu unappui intermédiaire, une béquille (un profil creux) articulée à ses extrémités.La section d'ensemble de cet ouvrage dans la coupe BB. Les deux poutres principales ont leurécartement maintenu par des entretoises installées à intervalles réguliers. Le platelage, c'est-à dire

le tablier, est constitué par des bacs en acier fixés aux poutres principales. Sur ces bacs est couléeun béton qui constituera la dalle de circulation.

23

24