Cours de Structures

Ecole Nationale Supérieure d’Architecture de Marseille – Semestre 2 UE5
V. Descentes de charges
Cours de Structures
Introduction générale
La fonction première d’une structure est de garantir
l’équilibre
é
global d’un bâtiment
â
soumis à des actions
extérieures (forces gravitaires, vent…).
V.
L’équilibre global est rendu possible par l’existence
de réactions d’appuis s’exerçant au niveau des
fondations.
Descentes de charges
Mais il faut également que la structure soit capable
de « transmettre » les actions extérieures jusqu’aux
fondations sans compromettre sa propre intégrité.
Alexandre de la Foye
18 mars 2010
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V. Descentes de charges
V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
Définitions
A l’échelle du bâtiment, l’enjeu principal est
d’assurer l’équilibre global et la stabilité d’ensemble
de la structure. Il est moins question de
di
dimensionnement
i
t que de
d logique
l i
structurale.
t
t
l
On appelle descente de charges la transmission des
actions extérieures depuis leurs points d’applications
jusqu’aux fondations.
Les charges extérieures peuvent être caractérisées
suivant leur direction. Elles sont alors classées en
deux catégories : charges verticales et charges
horizontales.
Le calcul des descentes de charges est le calcul des
forces et moments transmis aux fondations à l’aide
des outils de la statique ; c
c’est
est aussi le calcul des
forces et moment transmis aux éléments de
structure intermédiaires.
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V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
4
V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
V 1 a Cas des charges verticales
V.1.a.
V.1.a. Cas des charges verticales
Dans la
D
l
grande
d
majorité
j ité des
d
cas, les
l
charges
h
verticales sont produites :
Pendant très longtemps, du fait de la massivité des
bâtiments, les charges gravitaires étaient de loin les
plus contraignantes.
• soit par la gravité (poids propre du bâtiment luimême, de ses occupants, de la neige…),
Elles dictaient donc à elles-seules la conception et le
dimensionnement des structures.
• soit par le vent (champ de pression sur les surfaces
q
ou horizontales).
)
obliques
C’est de là que nous vient l’expression « descente de
charges » : les charges descendaient littéralement
de la toiture jusqu’aux fondations.
5
6
V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
P
L’utilisation de l’acier à partir de la fin du XIXe
permet de construire des structures de plus en plus
légères et élancées. Le poids propre diminue tandis
que les effets du vent augmentent.
P
P
w
V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
P
w
Les effets du vent ne sont plus négligeables. Ils
peuvent
p
u
même d
devenir p
prépondérants.
po d a
7
Cathédrale de Metz (XIIIe)
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V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
W
W
W
W
W
W
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
Centre Renault de Swindon (Norman Foster - 1982)
9
Pavillon allemand à Montréal ( Frei Otto - 1967)
V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
V.1.b. Cas des charges horizontales
Pendant longtemps l’équilibre des structures vis-àvis des actions horizontales était naturellement
garanti par leur propre poids. On n’y attachait donc
pas trop d’importance.
L
Les
effets
ff t du
d ventt se traduisent
t d i
t également
é l
t par
l’application de forces horizontales sur les façades
des bâtiments (surpressions ou dépressions).
dépressions)
10
L’allègement progressif des bâtiments a eu comme
conséquence de les rendre de plus en plus sensibles
aux efforts horizontaux.
Outre le vent, il ne faut pas oublier les charges
horizontales accidentelles que sont les forces
d’inertie produites par les secousses sismiques ou les
chocs provoqués
é
par des collisions d’engins
motorisés.
A j
Aujourd’hui,
d’h i leur
l
prise
i
en compte
t dans
d
l conception
la
ti
d’une structure est aussi importante que la prise en
compte des charges gravitaires.
gravitaires
11
12
V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
La fonction structurale consistant à assurer la
stabilité
t bilité d’une
d’
structure
t
t
vis-à-vis
i à i
d
des
charges
h
horizontales est appelée contreventement.
W
Le contreventement permet d’assurer la descente
des charges horizontales jusqu’aux fondations.
Le concept de « descente de charges » n’est donc
pas e
exclusivement
c us e e t réservé
ése é au
aux c
charges
a ges verticales.
e t ca es
Tour Seagram à New-York
(Mies van der Rohe – 1954-1958)
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V. 1. Enjeux à l'échelle du bâtiment
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
m.a
Introduction
Une structure complexe ne peut fonctionner que si
l’équilibre et l’intégrité de chacun des maillons qui la
compose (structures élémentaires) sont assurés.
L’équilibre d’une structure élémentaire peut être
appréhendé à ll’aide
aide des outils classiques de la
statique.
L’étude de son intégrité se fait dans le cadre d’une
discipline appelée résistance des matériaux.
Bâtiment détruit par le séisme de Kobe (1995)
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
Garantir l’intégrité d’une structure élémentaire, c’est
garantir sa résistance et sa rigidité.
Chaque structure élémentaire est conçu pour
travailler d’une certaine manière. On dit qu’elle est
associée à un mode de sollicitation. Il en existe
quatre :
C’est à ce niveau qu’intervient la notion de (pré-)
dimensionnement : donner à l’élément de structure
les dimensions adéquates pour satisfaire aux critères
de résistance et rigidité.
• La flexion
• La compression
• La traction
• La torsion ((non étudiée dans ce cours))
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
Théorèmes des barres bi-articulées
Pour connaître le mode de sollicitation d’un élément
de structure,
structure il faut s
s’intéresser
intéresser à la nature des
liaisons ainsi qu’à la direction et au sens des forces
extérieures.
Tout élément linéaire qui est articulé à ses deux
extrémités et qui ne reçoit aucune action extérieure
entre les deux articulations travaille soit en
compression pure soit en traction pure.
Les éléments soumis à des forces dirigées
parallèlement à leur « direction principale » sont
généralement tendus ou comprimés.
Les éléments soumis à des forces dirigées
perpendiculairement à leur « direction principale »
sont généralement
é é l
flé hi
fléchis.
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
Le mode de sollicitation le plus efficace est la
traction. Les éléments tendus sont naturellement
très rigides et très résistants.
résistants
La flexion est le mode de sollicitation le moins
efficace Les éléments fléchis sont naturellement
efficace.
moins résistants et moins rigides que les éléments
tendus et comprimés.
comprimés Ils sont donc plus gourmands
en matière.
La compression est un peu moins performante que la
t
traction.
ti
L éléments
Les
élé
t comprimés
i é sontt naturellement
t
ll
t
très résistants mais peu rigides lorsqu’ils sont
élancés (phénomène de flambement).
flambement)
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
Eléments tendus et comprimés
10 kN
10 kN
Barre tendue
7 mm
Poteau
3m
10 kN
10 kN
Barre comprimée
Buton
2,7 cm
Culées
10 kN
Barre fléchie
5 kN
Suspente
6 3 cm
6,3
5 kN
Sections minimales d’une barre pleine en acier selon le mode de sollicitation
Hauban
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Tirant
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
Eléments tendus : profilés métalliques,
métalliques câbles
Eléments comprimés : poteaux
Poteau
maçonnerie
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Poteau
treillis
Poteau
béton armé
Poteau H
Mât haubané
Poteau tubulaire
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
Eléments comprimés : murs,
murs voiles
Cas particulier des structures funiculaires
Une structure est dite funiculaire vis-à-vis d’un
chargement
h
particulier,
i li
l
lorsque
sa courbure
b
l i
lui
permet d’être sollicitée en traction pure OU en
compression pure sous l’action de ce chargement.
chargement
Mur / voile
Le fait d’être sollicitées en traction ou compression
plutôt qu’en flexion rend les structures funiculaires
particulièrement efficaces et donc économes en
matière.
è
Voile plissé
que
Mais attention : cette efficacité n’est valable q
pour un type de chargement.
Voile courbe
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
Eléments fléchis
Structures funiculaires comprimées
Poutre console
Poutre bi-articulée
Console verticale
Raidisseur vertical
Structures funiculaires tendues
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
Eléments fléchis : poutres
Eléments fléchis : planchers
Poutre pleine (béton, bois)
Poutre treillis (acier, bois)
Poutre ajourée (acier)
Planchers bois
Poutre pleine à inertie variable
Poutre treillis à inertie variable
Ferme traditionnelle en bois
Fermette (bois, acier)
Dalle pleine B
B.A.
A
Plancher champignon
Poutre courbe
Dalle nervurée
Plancher à caissons
Plancher
poutrelles-hourdis
t ll
h
di
Plancher
à voûtains
ût i
Poutre sous-tendue (acier)
Poutres-câbles
Dalle alvéolée
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Plancher collaborant
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
Eléments fléchis : murs de soutènements
Eléments fléchis : raidisseurs de façades
Meneaux
de la tour Seagram
Cultures en terrasses dans le Yunnan
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V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
Eléments fléchis : sens de portées
Eléments fléchis : sens de portées
Les éléments de structure assurant une fonction de
franchissement doivent être hiérarchisés en plusieurs
niveaux (primaire,
(primaire secondaire…)
secondaire ) associés à des sens
de portée.
1
2
3
3
1
Les sens de
L
d portée
té ett dispositions
di
iti
d
des
élé
éléments
t
doivent permettre de minimiser les longueurs à
franchir.
franchir
Sections
2
35
36
V. 2. Enjeux à l’échelle des éléments de
structure
V. 3. Récapitulatif
Modes de sollicitations combinés
Un même élément de structure peut être associé
plusieurs modes
successivement ou simultanément à p
de sollicitations.
Exemple : un mur en sous-sol travaille à la fois en
compression sous l’action des charges verticales
transmises par le bâtiment qu
qu’il
il soutient et en
flexion sous l’action de la poussée des terres.
Lake Shore Drive à Chicago
(Mies van der Rohe – 1949/51)
37
38
V. 3. Récapitulatif
V. 3. Récapitulatif
A ll’échelle
échelle du bâtiment, on s’intéresse
s intéresse à :
A petite échelle, on s
s’intéresse
intéresse au dimensionnement :
1 – Du raidisseur de façade fléchi sous la pression du vent.
2 – Du poteau intérieur comprimé sous les charges verticales transmises par les
poutres
t
qu’il
’il supporte.
t
3 – Du poteau en façade comprimé sous les charges verticales transmises par
les poutres qu’il supporte et fléchi sous la pression du vent.
4 – De la poutre travaillant en flexion sous le poids du plancher qu
qu’elle
elle supporte
supporte.
5 – Du plancher travaillant en flexion sous son propre poids et les charges
d’exploitation qu’il supporte.
2
3
4
5
1
L’équilibre statique du bâtiment
considéré comme un bloc rigide
La stabilité d’ensemble
de la structure
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40