D IMENSIONNEMENT DES STRUCTURES EN BOIS . A
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D IMENSIONNEMENT DES STRUCTURES EN BOIS . A
DIMENSIONNEMENT APPLICATION DES STRUCTURES EN BOIS. AU STADE DE NICE Société d’accueil : IOSIS Méditerranée PFE présenté par : Yael BARDOUX, Elève ingénieur INSA Strasbourg Tuteur industriel : Yohann JACQUIER, Ingénieur Structure, IOSIS Méditerranée Enseignant superviseur : Eric HECKMANN, Responsable Service Structure Bâtiment, Ingérop Strasbourg et intervenant à l’INSA Strasbourg Résumé : Ce Projet de Fin d’Etudes traite de la construction bois et s’inscrit dans une démarche volontaire de ma part qui est de me spécialiser dans ce domaine. Dans ce but, le projet du stade de Nice a été le fil conducteur de ce stage. Le bureau d’études IOSIS est responsable des études de conception. Ce projet de grande ampleur (37500 places en vue de l’Euro2016) est doté d’une charpente mixte bois et métal. Mon travail s’est inscrit dans l’équipe en charge de ce lot. La première étude effectuée traite d’un modèle d’une partie de stade. Le but était de mettre à jour le modèle en géométrie et en charges afin de dimensionner les éléments métalliques et bois. Ce travail m’a permis de me familiariser avec le projet, la géométrie 3D complexe de la charpente, et le logiciel utilisé GSA. Une étude parasismique sur la charpente a également été menée. Par la suite, en collaboration avec un ingénieur bois, une étude plus pointue de la résille bois du stade a été effectuée. Il a fallu optimiser les sections en découpant la résille du stade en différentes parties selon les efforts, ainsi que dimensionner les différents assemblages. Le projet du stade étant complexe, j’ai ensuite effectué un travail de fond sur un portique, qui servira de référence par la suite. Cette étude a consisté à dimensionner un portique en métal, en bois poutre simple, ainsi qu’en bois poutre treillis. Elle m’a permis de voir toutes les étapes de dimensionnement d’une structure bois, ainsi que l’impact des différents facteurs comme les raideurs d’assemblages. Mots clé : construction bois, construction métallique, conception, assemblages, raideurs Abstract : This project deals with timber construction and is the result of my wish to specialize in this area. In order to achieve this, the project of the Nice Stadium has been the underlying theme of this internship. The engineering office IOSIS is responsible for the design studies. This huge project (37500 seats for Euro2016) has got a framework mixing timber and steel. My work has been done in cooperation with the team in charge of the framework work package. The first study deals with a model of a part of the stadium. The aim has been to update it in changing its geometry and loadings if necessary, in order to size the metallic and timber elements. This work allowed me to become familiar with the project, the complex 3D geometry of the framework, and the software used. A seismic survey on the framework has also been done. Then in collaboration with a timber engineer, a more precise study of the timber net of the stadium has been done. We optimized the sections in cutting the timber net in different parts depending on the internal forces. We also sized the assemblages. The project of the stadium being complex, a thorough study on a portico was carried out. The study will be used as a reference in the future and deals with the sizing of a portico in steel, in timber with normal beam, and in timber with truss beam. It allowed me to see all of the phases of the sizing of a timber structure, as well as the impact of different factors like beam releases. Key words: timber construction, steel construction, design, assemblages, beam releases PFE soutenu en juin 2011 BARDOUX Yael 1/4 1. Présentation du stade de Nice IOSIS Méditerranée, filiale de IOSIS Bâtiment, est un bureau d’études TCE implanté sur le pourtour méditerranéen avec une grosse agence à Marseille. En 2010, le groupement EGIS (dont fait partie IOSIS), Wilmotte et Vinci a gagné le projet du stade de Nice. Calé sur une démarche HQE, ce stade de 37500 places en configuration UEFA au coût estimatif de 245 millions d’euros aura recours aux énergies renouvelables (soleil et vent). Les tribunes sont en béton, et afin d’alléger le bilan carbone, une solution mixte bois/métal a été retenue en charpente. C’est l’étude de cette charpente qui est traitée dans ce PFE, et plus particulièrement la partie bois. La charpente est continue en façade et en couverture. Elle est composée d’une résille bois en sous face (intrados), d’extrados tubulaires en métal, et de diagonales ou « pyramides » métalliques reliant intrados et extrados. Le détail ci-dessous illustre son fonctionnement : Extrados Pyramide Intrados bois Les appuis de la charpente sur les blocs béton se font en différents points : - Appuis en partie haute de type élastomère sur tout le stade ; - Appuis bas rotulés sur une poutre de rive qui elle-même s’appuie sur le sol sur tout le pourtour du stade ; - Appuis intermédiaires pour reprendre les efforts horizontaux au niveau des zones « Jupe », là où la partie métallique de la charpente se surélève pour former des auvents extérieurs. 2. Etude du modèle « Jupe » de la charpente Le premier travail effectué sur le projet a été l’étude d’un modèle représentant une partie bien précise du stade, située au Nord, appelé « Jupe » par sa forme : la partie métallique se redresse en façade pour former un auvent extérieur. En premier lieu, j’ai dû mettre à jour les conditions d’appuis et les charges du modèle. En phase APD, les charges de vents ont été obtenues par le guide Tensinet, alors qu’elles seront le résultat d’essais en soufflerie du CSTB en phase PRO. Une fois le modèle mis à jour, j’ai dimensionné les différents éléments de charpente de la partie « Jupe » à l’Eurocode 3 et à l’Eurocode 5. Le dimensionnement des éléments métalliques (extrados, pyramides, pannes, liernes…) a été réalisé à l’aide d’une feuille de calcul Excel développée chez IOSIS Industries. Déjà familiarisée avec l’Eurocode 3, sa compréhension et son utilisation ont été aisées. Concernant le dimensionnement en bois, j’ai utilisé une autre feuille de calcul Excel élaborée en phase concours. J’ai préalablement vérifié cette feuille de calcul à l’Eurocode 5, ce qui m’a permis de me familiariser avec ce règlement qui m’était encore inconnu. Les résultats de cette étude conduisent à des sections métal et bois plus ou moins différentes de celles de la phase concours. Suite à cela, une descente de charge a été réalisée afin de la comparer à celle de la phase concours et pour permettre à l’équipe qui s’occupe du béton de l’insérer à ses modèles. 3. Etude parasismique de l’interaction charpente/béton A partir d’une note déjà réalisée, je me suis intéressée à l’aspect parasismique du projet. Une étude de l’équipe gros œuvre sur un modèle « béton + charpente simplifiée par un système masse/ressort » a fait ressortir un coefficient d’amplification potentiellement important en fonction de la raideur des appuis hauts néoprènes. Un modèle inverse, « charpente + béton simplifié » a été fait afin de vérifier les résultats de l’équipe gros œuvre. PFE soutenu en juin 2011 BARDOUX Yael 2/4 La première étape a été de poser les hypothèses nécessaires à toute étude sismique : la zone de sismicité, la classe d’importance et la classe de sol. Avec pour base l’Eurocode 8, j’ai obtenu les spectres élastiques et de calcul au rocher. Les résultats du béton donnent une amplification moyenne des déplacements en tête de tribune de 1,6. Les valeurs du spectre sont donc à multiplier par ce facteur, spectre qui est appliqué à l’ensemble de la charpente, et à insérer dans un modèle simplifié, « tranche ». Dans le modèle, les appuis hauts de la charpente sont des ressorts bidirectionnels, modélisant les appuis néoprènes envisagés du fait du déplacement important en ces points. Les appuis bas sont des rotules. Les fréquences propres du bloc béton sont insérées dans le modèle à travers un système masse/ressort unique. De ce fait, les ressorts modélisant les appuis néoprènes sont reliés entre eux par des liaisons rigides puisqu’ils appartiennent au même bloc béton. En faisant varier les raideurs des appuis néoprènes, on regarde l’impact sur les déplacements de la charpente. Les résultats sont qu’avec une raideur de néoprène de 3MN/m, le facteur d’amplification est proche de 1, alors qu’il monte jusqu’à 3 pour une raideur de 6MN/m. On conclut de cette étude que la raideur des appuis néoprène à choisir est de 3MN/M. Par la suite, cette raideur d’appuis néoprène a été vérifiée sur un modèle global intégrant les différents blocs béton. Afin de vérifier la faisabilité de la solution trouvée, un appui type du commerce a été choisi, en fonction de la raideur, de la charge à reprendre, ainsi que du déplacement. 4. Etude de la résille bois Une étude approfondie de la résille bois a été réalisée. Mon tuteur, ingénieur spécialiste de la construction bois, m’a guidé tout au long des travaux. L’étude a porté sur un modèle global du stade à résille semi tressée au stade APD, c’est-à-dire que les bois se croisent une trame sur deux dans le même plan et l’autre ils sont superposés. Mon premier travail a été de créer ce semi tressage sous GSA. Après vérification des charges, la résille bois a été découpée en différentes zones en fonction des efforts repris, ceci afin d’optimiser les sections. Ainsi, trois zones ont été définies, avec des sections de 210*340 à 210*510. Par la suite, les différents types d’assemblages ont été définis. Au croisement des bois superposés, sans pyramide, un boulon M20 vient maintenir les poutres afin de diminuer les longueurs de flambement. Au croisement dans le même plan, deux solutions sont envisagées : une solution broches et ferrure en âme et une solution pointes avec poutres dédoublées. En effet, les assemblages métalliques doivent être cachés au maximum par volonté de l’architecte. Au rendu de l’APD, c’est la solution broche qui a été préconisée. Après dimensionnement des assemblages, les raideurs correspondantes ont été intégrées au modèle. Celles-ci ont un rôle prépondérant en construction bois. J’ai réalisé une feuille de calcul Excel permettant d’obtenir rapidement les raideurs en translation et en rotation. Un rebouclage avec les sections a été effectué. Suite à un cubage très différent entre l’entreprise Fargeot de Vinci et le notre, il a été question après le rendu de l’APD de démontrer l’importance du boulon de maintien au flambement. Une étude a donc été réalisée sur l’impact de celui-ci sur les efforts dans la résille. Nous avons ainsi démontré son rôle sur les sections et donc le cubage de bois. Par ailleurs, j’ai travaillé sur une solution alternative au boulon. En effet, la variation du taux d’hygrométrie peut amener à rendre variable la raideur amenée par le boulon. On a alors envisagé une solution de maintien dans le sens perpendiculaire aux fibres, qui rend ainsi la raideur indépendante de l’humidité. Deux solutions ont été étudiées : Une solution bois venant moiser les deux poutres avec boulons, et une solution ferrures en âme avec boulons. Une étude est en cours sur une nouvelle configuration souhaitée par l’architecte. Celle-ci consiste en une résille mise à plat. Sur cette solution, j’ai dimensionné les assemblages de pied de résille (sur la poutre de rive). PFE soutenu en juin 2011 BARDOUX Yael 3/4 5. Travail sur un portique Le projet du stade m’a permis de me sensibiliser au point singulier de la construction bois, mais il est d’une telle ampleur qu’il est impossible de tout y voir. C’est pourquoi mon tuteur m’a fait travailler sur un portique, structure simple et courante. Le but de cette étude a été de faire une comparaison en coût et bilan carbone de différents dimensionnements statiques : métal, bois poutre simple et bois poutre treillis. Avant tout, j’ai défini les charges et combinaisons de charges. Dans un second temps il a fallu dimensionner le portique en solution métal. Afin d’aller dans le détail, j’ai créé une feuille de calcul Excel d’assemblage poteau/poutre. J’ai ensuite dimensionné le portique en solution bois poutre simple et poutre treillis, assemblages inclus. Après insertion des raideurs aux liaisons, j’ai du revérifier mes sections. En construction bois, le processus de dimensionnement est itératif, et les sections souvent dimensionnées par les assemblages. Enfin, une vérification des portiques bois au feu a été effectuée. Le premier portique en poutre simple a des sections imposantes, rendant le feu peu dommageable ; alors que la solution treillis a dû être renforcée aux assemblages (point crucial de vérification au feu). Finalement, l’estimatif des coûts a montré que la solution bois en poutre simple est plus chère d’environ 40% par rapport à la solution en métal. Cependant, la solution treillis bois et la solution métal ont des coûts similaires. De plus, le bois étant un matériau qui stocke de CO2, son bilan carbone est très favorable et fait donc baisser le bilan carbone total d’un bâtiment. La problématique environnementale actuelle de diminution des gaz à effets de serre en rend donc l’utilisation propice. 6. Conclusions Le projet du stade de Nice m’a permis de conclure sur différents points : - L’importance du dialogue avec l’architecte dans un projet : Wilmotte a toujours voulu pouvoir visuellement comprendre les solutions techniques proposées. L’étude de diverses options de charpentes va lui permettre de choisir à la fin du PRO une géométrie de charpente fixée. - L’importance organisationnelle d’un projet : des réunions régulières entre intervenants en charpente ont permis un bon déroulement des études (Paris, Marseille et Nice) - L’importance de la technique : ce PFE m’a permis de me spécialiser en construction bois. Les études ont toutes été menées aux Eurocodes. Peu d’ingénieurs ont été formés à ce matériau qui est de plus en plus demandé. Il nécessite pourtant d’en connaître les principes, comme les itérations successives dues à l’insertion des raideurs. Plus globalement, ces cinq mois de Projet de Fin d’Etudes m’ont apporté une nouvelle expérience en bureau d’étude sur un projet unique, complété par une étude de structure simple mais courante afin d’avoir une compréhension optimale du cheminement d’un dimensionnement bois. Les échanges avec le corps encadrant ont permis un bon déroulement du projet, et ma volonté de me spécialiser en construction bois a été assouvie. Les différents travaux effectués m’ont confortée dans ce choix. PFE soutenu en juin 2011 BARDOUX Yael 4/4