01/12 Halles et hangars, Guide de conception

Construire en acier
Documentation du Centre suisse de la construction métallique SZS
01/12
steeldoc
Halles et hangars
Guide de conception
tec 03
Table des matières
1 Construction de halles
4
L’acier comme matière première
Construire avec de l’acier
La conception architecturale des halles en acier
Rentabilité
Flexibilité
Planification intégrée
Conception
2 Structures porteuses Vue d’ensemble
Fermes et piliers
Portiques
Arcs
Structures porteuses spatiales
6
3 Enveloppe du bâtiment
Protection thermique
Protection contre l’humidité
Protection phonique
Systèmes de construction pour toits et parois
Eclairage
Aération
23
4 Protection contre les incendies
Evacuation de la fumée et de la chaleur
Chemins de fuite et de sauvetage
Accessibilité
Compartiments coupe-feu
Installations d’extinction
Mesures de protection constructives
27
5 Protection contre la corrosion
Protection contre la corrosion sur mesure
Revêtements
Films de protection métalliques
Revêtements sur des éléments galvanisés
(systèmes duplex)
28
6 Intégration des systèmes
Structure
Enveloppe
Aménagement technique
Concepts d’intégration
29
7 Durabilité
Rentabilité
Qualité écologique
Aspect social
Suggestions pour la planification de halles durables
30
Compétence en construction métallique
Le Centre suisse de la construction métallique SZS est
une organisation professionnelle qui réunit les entreprises
de construction métallique, les fournisseurs et sous­
traitants et les bureaux d’études les plus importants de
Suisse. Par ses actions, le SZS atteint un large public
de concepteurs, d’institutions et de décideurs. Le SZS
­informe ses membres et le public de l’évolution dans la
construction métallique et offre un forum pour les échanges et la collaboration. Le SZS met à disposition les
­informations techniques, encourage la recherche et la
­f ormation des professionnels et s’engage dans la collaboration au-delà des frontières. Ses membres profitent
d’une vaste palette de prestations.
Steeldoc est la documentation d’architecture du Centre
suisse de la construction métallique. Elle paraît quatre
fois par année en allemand et en français. Les éditions
spéciales à orientation technique, comme le présent
numéro, sont également éditées dans une série spéciale.
www.szs.ch
Stahlbau Zentrum Schweiz
Centre suisse de la construction métallique
Centro svizzero per la costruzione in acciaio
Editorial
Le présent numéro technique de Steeldoc est un guide de conception
pour la construction de halles en acier. La construction de halles
offre l’occasion d’exploiter les avantages de la construction métallique:
­légèreté, flexibilité, possibilités quasi illimitées de transformation et
d’extension.
Le principal enjeu de la construction de halles est la flexibilité d’utili­
sation. Elle nécessite la prise en compte des charges, des dimensions
et des ­procédés particuliers. Le choix de la structure porteuse a
donc des conséquences directes pour les dimensions de l’espace, la
­dis­position des installations techniques et les possibilités d’exploitation
à long terme. Pour cette raison, la plupart du temps, sont retenus les
types de structures ­permettant une extension, de préférence modulaire,
ce qui contribue, en fin de compte, à la longévité du bâtiment.
Ce numéro a pour but d’offrir quelques points de repères pour la
­con­ception et la réalisation de halles économiques et rationnelles, tout
en four­nissant les informations techniques utiles. Nous proposons dans
la présente édition une information de fond décrivant les principaux
types de structures envisageables, ainsi que leurs caractéristiques et
avantages construc­-tifs. Une introduction thématise les bases de con­cep­
tion tenant compte de la rentabilité, la flexibilité et l’intégration des
installations techniques. Un chapitre est dédié à la structure porteuse,
présentant les différentes ­typologies comme les squelettes, les portiques, les arcs ou les structures porteuses spatiales. D’autres articles
se consacrent à l’enveloppe du ­bâtiment, la protection incendie et
contre la corrosion, et finalement nous traitons également l’intégration
des systèmes et la durabilité de la construction.
En parallèle à ce numéro technique de Steeldoc, paraît le numéro 02/12
avec une documentation d’exemples pratiques de constructions de
halles. Comme toujours, notre documentation va jusqu’aux détails, pour
stimuler la recherche de solutions pratiques. A nos lecteurs, nous
­souhaitons bien du plaisir à l’étude des pages de Steeldoc qui suivent.
Evelyn C. Frisch
3
Introduction
1 Construction de halles
L’acier comme matière première
Aucun autre matériau n’est utilisé dans autant de divers
domaines d’application, permettant d’obtenir d’aussi bon­
nes propriétés du produit final. La multitude des propriétés,
combinées avec les nombreuses formes de liv­raisons
com­me les tôles, les tubes, les profils, les poutres, ­les bar­
res ou les câbles font de l’acier une matière indispensable
dans presque tous les domaines de la technique.
La large palette des domaines d’utilisation de l’acier est
obtenue par un grand nombre de différentes techniques de
fabrication. Des types précis de structures peuvent être
­atteints par des mesures métallurgiques ou des traitements
thermiques spécifiques. Les divers traitements de surfaces
offrent encore d’autres domaines d’utilisation. Les exigen­
ces demandées à l’acier peuvent concerner ses propriétés
physiques ou chimiques.
L’acier est le matériau optimal partout où l’on demande de
hautes résistances, où la construction demande d’atteindre
des hauteurs élevées, de franchir des portées extrêmes,
mais aussi là où des hautes résistances et un faible poids
sont demandés, comme par exemple dans la construction
de véhicules.
Les produits en acier peuvent être utilisés de manière répétitive. Si l’utilisation sous leur forme initiale n’est pas
possible, ils sont refondus et sont transformés en un nouveau produit sans perte de qualité. Presque 50 % de ­la
production mondiale d’acier brut est produit par la refonte
de ferraille. Aucun autre matériau de construction n’a un
taux de recyclages aussi élevé.
Construire avec de l’acier
Les éléments de construction en acier sont amenés, avec
des dimensions précises, sur le chantier pour y être
­assemblés par boulonnage ou soudure. Les éléments de
construction préfabriqués au millimètre montrent la pré­
cision possible avec l’acier qui permet de planifier exactement les dimensions, la découpe et le montage des pièces
fabriquées. La masse à transporter, la capacité de levage
de la grue et la liberté de mouvement déterminent le nombre
de liaisons à exécuter sur le chantier. Ceci est un avantage
déterminant qui différencie la construction mé­tallique
des autres genres de construction. A l’avenir cette manière
de construire prendra toujours plus d’importance.
La construction industrialisée veut dire: l’utilisation d’éléments de construction spéciaux, la fabrication en série
des divers composants de la construction, la standardisation des raccords et liaisons, le façonnage des pièces
à la machine, la préfabrication de la plus grande partie des
4
éléments et des pièces en atelier et un procédé de pla­ni­­­
fication
exact pour la construction et le montage.
Une halle en acier remplit, aujourd’hui, de manière exemplaire les exigences demandées à un produit industriel ­de
grande qualité. La production des éléments porteurs a
lieu dans des ateliers de construction métallique à l’aide de
procédés de planification et de production assistés par
­ordinateur. La grande résistance de l’acier liée à une structure porteuse adaptée au matériau permet un poids
favorable de la structure, ce qui permet, comparativement,
la construction de petites fondations. Les liaisons bou­
lonnées et le poids relativement faible sont des avantages
pour le transport et le montage.
Pour la construction de l’enveloppe du bâtiment on dispose
d’éléments en tôle fine avec des surfaces ennoblies: la toiture est construite avec des tôles trapézoïdales et l­es parois
avec des profilés à caisson. Des profilés spéciaux servent
de coque extérieure lors de la construction d’une peau
étanche à la pluie et au vent. Les éléments sandwich PUR
sont des éléments intégrés dans la construction d
­ es toits et
des parois permettant de réunir l’isolation thermique, la finition intérieure et extérieure dans un seul élément.
La conception architecturale des halles en acier
Les halles sont largement répandues dans notre culture
­industrielle et une grande quantité est présente dans chaque
zone industrielle. La qualité urbanistique et architecturale
de beaucoup de zones industrielles est influencée par
beaucoup de facteurs, comme le plan d’occupation, l’utilisation hétérogène, corps et type du bâtiment, jusqu’à la
qualité de chaque bâtiment. L’acier comme matériau de
construction offre de nombreuses possibilités, aussi celle
de satisfaire les exigences d’une bonne conception.
La halle n’est généralement pas un corps de bâtiment
isolé. Si les zones de bureaux et d’administration, les ateliers et les locaux techniques ainsi que les locaux annexes
et les avant-toits ne sont pas conçus comme un ensemble
avec la halle, ils peuvent compromettre comme un corps
étranger, la forme simple et claire du bâtiment. De bons
exemples montrent, cependant, que ces éléments peuvent
être conçus pour aller avec le corps du bâtiment et former
une unité avec lui.
Rentabilité
Pour les halles l’économie de la structure joue un rôle
­décisif. Avec l’augmentation de la portée il devient important
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d’optimaliser la planification et l’utilisation des matériaux et
de minimiser les coûts de fabrication et de montage. Cela
réussit avec la conception de structures adaptées. La struc­
ture n’existant pas comme produit fini, elle doit chaque ­­fois
être adaptée à la nouvelle fonction. A ce sujet, il est déterminant d’adapter chaque membrure et élément porteur de
manière la plus exacte possible au flux des efforts dans la
structure.
En générale les halles ont des enveloppes de grande surface. Cela demande l’emploi de matériaux de construction
adaptés. Des éléments de toiture et de parois en tôle fine
avec des surfaces ennoblies se prêtent par leurs dimensions à la fermeture de grandes ouvertures. Des éléments
de petites dimensions occasionnent beaucoup de travail
lors du montage.
la répartition des espaces, l’alimentation d’énergies et la
modification de l’aménagement pour pouvoir réagir à des
changements d’affections ou de conditions de fabrication.
Structure porteuse d’une halle
type éprouvée, ProKilo-Markt,
Würselen (D), portée 20 m.
Planification intégrée
La construction d’une halle ne se restreint, en général, pas
au développement de la structure et d’une enveloppe
adaptée. La technique du bâtiment et les installations techniques nécessaires à la production doivent être intégrées
dès le début dans la planification d’une construction industrielle. Une collaboration précoce entre l’architecte, le
concepteur de la structure et les ingénieurs spécialisés est
la condition indispensable pour le développement intégral
d’une halle. Seul une planification intégrale amène à un
­projet qui tient compte, de manière équilibrée, des différents
aspects.
Flexibilité
Les halles se différencient principalement par leur utilisation. Les plus typiques sont celles d’exposition, de gare, ­
de fabrication, d’aéroport, de stockage, de marché, de sport,
de vente de production et d’atelier. Tous les types de halles
ont une chose en commun: au cours de leur utilisation ils
devraient être adaptables aux changements des exigences.
Une halle en acier offre en cette matière toute une série
d’avantages:
•Elle peut être facilement et à moindre frais agrandie
dans les deux directions.
•La structure peut être renforcée localement, en fonction
des besoins.
• Des ouvertures peuvent être pratiquées après-coup.
•Installations et conduites sont faciles à intégrer et
­toujours accessibles.
•Si les assemblages se font par boulonnage le montage
et le démontage s’effectuent à moindre frais.
•Grâce au recyclage de l’acier, le processus de démo­lition
et d’élimination est très respectueux de l’environ­nement.
Une suite toujours plus rapide de nouveaux produits exige
d’une halle industrielle un maximum de flexibilité quant à
Conception
L’enveloppe entourant complètement la structure, elle est
déterminante pour l’apparence d’une halle. En général la
structure d’une halle n’est visible que depuis l’intérieur. Une
construction métallique adaptée au flux des efforts avec
ses détails précis et son ordre géométrique généreux
marque l’espace intérieur. En plus, il suffit d’un petit investissement pour faire apparaître cette structure aussi à
­l’extérieure. Si la structure elle-même est l’élément principal
visible à l’extérieur, il faut vouer une attention particulière
aux pénétrations de la structure dans l’enveloppe afin
de réduire au minimum les problèmes d’étanchéité et les
ponts thermiques.
Dans un corps de bâtiment clair, la forme imposée de la
structure s’exprime le mieux. Il est de ce fait conseillé
d’éloigner les annexes nécessaires et de les développer
comme corps de bâtiment séparé. Les annexes corres­
pondant aux proportions de la halle peuvent être reliées à
celle-ci avec un joint. En principe, il faudrait vérifier si
les domaines d’utilisation contenus dans les annexes ne
peuvent pas être intégrés dans la halle même.
5
Structures porteuses
2 Structures porteuses
Vue d’ensemble
La conception architecturale d’une halle est l’apparence
extérieure d’une structure intérieure déterminée. En
­principe l’on peut différencier des formes structurelles
orientées, non orientées et centrées.
Les structures dont les éléments porteurs principaux sont
des piliers et des fermes, des portiques ou des arcs et
leurs éléments annexes composés de pannes, de tôles tra­
péz­oïdales ou de plaques sont des éléments porteurs
orientés. Les éléments porteurs sont différemment sollicités dans le sens longitudinal que dans le sens transversal.
Les éléments porteurs principaux sont généralement orientés perpendiculairement à l’axe longitudinal du bâtiment.
Les structures tridimensionnelles tel que le quadrillage de
pou­tres ou les treillis spatials utilisés comme systèmes
­porteurs sont des structures porteuses ajustées. La transmission des charges se fait au moins dans deux directions.
Les structures porteuses avec des éléments porteurs q­ ui
sont orientés comme des rayons depuis un centre (halles
circulaires) sont des structures centrées.
Des éléments de construction disposés sans ordre géométrique reconnaissable peuvent être désignés comme des
structures chaotiques. Ils sont disposés d’après le principe
du «mikado» de manière totalement aléatoire. De par leurs
natures ils contredisent le principe de la construction in­
dustrielle et sont inadaptés pour la construction de hal­les.
Il est valable pour toutes les formes de structures nommées
qu’elles peuvent être réalisées comme structure plane,
comme structure cintrée dans un axe ou dans deux axes.
Une conception réussie tient compte des conditions qui
émanent de la structure de la construction. La disposition
des cadres de raidissement, des ouvertures pour l’éclairage et l’aération, des portes, des ponts roulants ainsi que
des éléments de l’aménagement technique doivent être en
harmonie avec la géométrie donnée par la structure. Les
isométries ci-contre montrent différentes dispositions pour
les fermes et les pannes et différentes possibilités pour le
raidissement.
Pour toutes les structures porteuses orientées il faut étudier l’exécution du mur pignon. Si un prolongement de
la halle dans le sens de la longueur n’est pas possible l’on
peut se passer d’une ferme ou d’un portique terminal. Les
charges peuvent alors être plus économiquement trans­
férées par des montants du mur pignon avec une poutre de
bord. Pour un agrandissement longitudinal futur de la
halle, il est préférable de prévoir aussi dans la zone du mur
pig­non une ferme ou un portique plein sur lesquels les
­mon­t­ants du mur pignon sont directement fixés. Ceci économise des coûts lors d’un agrandissement futur.
6
L’avantage d’une structure non orienté est que tous les
éléments porteurs participent de manière égale au transfert des charges verticales. Cela signifie pour un sys­tème à
deux travées la mise en place d’une trame carrée. Font
partie des structures non orientées des sommiers et des
fermes tridimensionnelles à deux ou à trois travées. Un
avantage des structures non orientées est la possibilité
d’un agrandissement dans les deux directions. La symétrie
multiple de structures non orientées la prédestine à des
constructions peu courantes.
Raidissement
En principe, toute halle doit être contreventée dans les directions longitudinale et transversale. Les mesures à
prendre au niveau de la toiture et des murs dépendent de
la structure choisie. Les structures à portiques et à arcs
sont stables dans la direction transversale et ne requièrent
dès lors des contreventements supplémentaires que
dans la direction longitudinale. Les structures à poteaux et
poutres maîtresses et les structures bi- et tridimensionnelles doivent être contreventées dans les deux directions.
Le contreventement peut être assuré par des voiles, des
dalles ou des noyaux rigides, ou par l’encastrement des
poteaux, des montants de portiques et des arcs. Au niveau
de la toiture et des murs, le contreventement peut être
­assuré par des éléments massifs (voiles et dalles) ou par
des organes de contreventement métalliques. Une
­cou­verture en tôle à nervures trapézoïdales peut également remplir cette fonction.
Pannes
Les pannes ont la fonction de transmettre les charges
de la couverture du toit aux éléments porteurs principaux
(fermes, portiques ou arcs). A part cela, les pannes
­peu­vent servir de traverses de compression dans les con­
treventements. Pour un entraxe des éléments porteurs
principaux jusqu’à 7 m il peut être économique de poser
les tôles trapézoïdales directement sur les poutres et
de construire sans pannes. Des entre-axes plus grands
réduisent le nombre d’éléments porteurs principaux et
de fondations, demandent toutefois l’utilisation de pannes.
Dans la construction de halles on utilise comme pannes
des profils laminés à chaud ou des profils formés à froid
avec des sections en Z ou en C.
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Structures à portiques
Portiques encastrés*
Portiques à deux articulations
avec pannes
Portiques à treillis
à trois embrures
Portiques haubanés
Halle sans pannes*
Halle avec pannes
Poutres à treillis et pannes
Poutres sous-tendues
et pannes
Arcs à trois articulations
avec pannes
Arcs sur poteaux
Arcs en treillis
Arcs en treillis
sur poteaux
Structures à poteaux et
poutres maîtresses
Structures à arcs
Structures bi- et
­tridimensionnelles
Grille de poutres sur
poteaux encastrés
Grille de poutres haubanée
Treillis tridimensionnel
sur poteaux encastrés
Treillis tridimensionnel cintré
Fig. 1: Systèmes porteurs envisageables pour les halles en acier
*p ar exemple avec une couverture propre à assurer
le contreventement de la structure
7
Structures porteuses
Installations de levage
Dans les installations de levage on distingue, indépen­­da­m­ment de la charge à déplacer, de simples rails­
­sus­pendus pourvu d’un palan électrique ainsi que les ponts
rou­lants. Les installations de levage sont en règle générale
commandées depuis le sol. Les ponts roulants pour des
charges lourdes sont commandés depuis une cabine mobile.
Pour les rails suspendus, les charges sont transmises dans
la construction du toit alors que les fortes charges des
ponts roulants sont directement transmises dans les piliers.
Raidissement longitudinal
d’une halle portique avec
­c ontreventements en croix et
mur pignon porteur
Fondation
La fondation a pour fonction de transférer toutes les
charges survenant dans une construction dans le sous-sol.
Pour l’introduction des forces résultant de la construction
on construit des éléments de fondation en béton armé. ­
Le dimensionnement des fondations dépend de la grandeur des charges (p. ex. poids propre, charges dues
au vent, à la neige, aux ponts roulants), de la forme de la
structure et de la portance du sous-sol. Des pieds de
­piliers articulés transmettent des forces verticales et horizontales (forces normales et transversales) alors que
des piliers encastrés transmettent en plus des moments
dans les fondations.
Des études plus récentes sur le comportement sous la
charge des pieds de pilier en acier encastrés dans le béton
montrent que les fondations à douilles sont aussi une
­alternative économique dans la construction métallique. En
conséquence les profondeurs d’encastrement, souvent
de moins de trois fois la hauteur du profil métallique, permettent des fondations de relativement petites dimensions.
La possibilité de la préfabrication des fondations ponctuelles
en usine doit toujours être examinée.
Appui pour panne continue
Trous oblongs dans la console
du chemin de roulement
pour l’ajustage fin
Pied de pilier articulé,
exécution légère
avec rail d’ancrage
8
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Raidissement longitudinal
d’une halle portique avec
contreventements en croix
et portique terminal pour
l’agrandissement
Raidissement longitudinal
d’une halle portique avec
­c ontreventement spécial pour
l’intégration d’une porte
cochère dans la paroi
Raidissement longitudinal
d’une halle portique
avec cadre en portique pour
l’intégration d’une porte
cochère dans la paroi
Appui d’extrémité de panne
Appui d’une panne continue
en profil Z façonné à froid
Appui d’une panne continue
en profil spécial façonné à froid
Consoles de chemin de
­r oulement en profils laminés
soudés et boulonnés
Raccord longitudinal soudé
du chemin de roulement dans
la zone d’appui
Pied de pilier encastré,
­e xécution lourde avec vis à
tête rectangulaire et barres
d’ancrage
Pied de pilier encastré,
­f ondation à douilles
9
Structures porteuses
piliers encastrés et les piliers avec fixations intermédiaires
ou avec des charges de ponts roulants on choisit l’axe
du profil avec la charge maximale. Le choix doit se porter
sur des piliers encastrés uniquement si une solution avec
des contreventements verticaux est impossible, si la longueur de flambage est faible et que beaucoup de piliers
peuvent être activés pour la transmission des charges horizontales. L’ancrage peut se faire à travers des fondations
à carquois ou des barres d’ancrages. Le détail de construction des raccords aux fermes et des plaques de base
­devrait être étudié de manière à éviter, si possible, les
­nervures de renfort.
Salle de sport Burkertsmatt,
Widen; architecte ­R olf Mühle­
thaler, Bern
Fermes et piliers
Propriétés portantes
Dans le cadre de cette présentation sur la construction
de halles, le système composé de piliers, de fermes et de
pannes et subsidiairement de contreventements représente un jeu de construction qui permet de multiples variations et qui peut être adapté à de grandes et de petites
portées et diverses fonctions.
Au point de vue de l’enveloppe des moments le système
«poutre sur deux piliers» représente le cas le plus défavorable. Cette disposition de poutres provoque un moment
maximum au milieu de la travée et de par ce fait de grands
efforts de cisaillement et des déformations conséquentes
qui doivent être compensées par l’apport nécessaire
de matériaux. Par contre, les poutres à porte-à-faux, des
poutres sur deux travées et des poutres continues provoquent un moment en travée plus favorable et une meilleure répartition des efforts (intérieurs). Ceci est avant
tout va­lable pour les pannes. Ainsi, les pannes sont conçues
comme poutres continues et reposent sur les fermes.
Les forces horizontales (vent) provenant de l’enveloppe sont
introduites dans la structure porteuse par l’intermédiaire
d’une sous-construction de poteaux et de traverses. Les
contreventements horizontaux au niveau de la toiture
­reprennent les efforts et les transmettent à travers les
­fermes aux contreventements verticaux. Les contreventements verticaux se situent au niveau des parois et servent
à transmettre les efforts dans le pied des piliers. Il n’est
pas nécessaire de contreventer chaque travée. Pour des
petites halles il suffit en général d’une travée contreventée
qui se situe environ au milieu de la halle pour transmettre
les efforts horizontaux.
Formes de fermes
Les fermes sont des éléments porteurs plans soumis à
la flexion. Les zones les plus éloignées de l’axe neutre dans
la surface de flexion d’une section sont déterminant pour
la résistance à la flexion d’une poutre. La portance d’une
poutre soumise à des moments dépend de la forme de sa
section. Pour cette raison la section d’un profil en double T
a une répartition optimale de la masse. Dans la construction métallique cette forme de section est le synonyme
pour une poutre en flexion. Avec l’augmentation de la portée il est judicieux d’adapter encore mieux la section
du profil porteur à l’effort. Pour les poutrelles alvéolaires,
qui sont produites en coupant un profil en double T et
en le ressoudant, la répartition de la masse est nettement
plus favorable que celle du profil original. Des poutres
en tôle soudées avec des âmes minces offrent souvent une
alternative économique. Dans les poutres en treillis les
­profils des membrures sont tenus à distance par des barres
de remplissage. Les nœuds sont idéalement soumis
­uniquement à des efforts de traction et de compression.
La poutre Vierendeel dispose uniquement de montants
verticaux entre les profils des membrures, par ce faire
chaque élément porteur est soumis à la flexion. Une poutre
Vierendeel demande toujours la mise en œuvre de plus ­
de matière qu’une poutre comparable en treillis. Elles ont
toutefois l’avantage d’avoir de grandes ouvertures libres.
La condition préalable pour construire économiquement
est une construction la plus simple possible des nœuds.
La formation de véritables articulations n’est pas courante.
Par des liaisons boulonnées et soudées se forment
des connexions plus ou moins rigides. Cependant, on ne
tient pas compte, lors du dimensionnement des poutres
en ­treillis, des tensions annexes ainsi générées.
Formes des piliers
La section des piliers est influencée par le genre d’effort.
Les piliers pendulaires purs sans fixations intermédiaires
(charge verticale) devraient, à cause des efforts de flambage égaux dans tous les sens, pour des questions statiques avoir la même rigidité dans les deux axes. Pour les
10
steeldoc 01/12
Poutrelle cellulaire comme
ferme sur deux portées avec
porte-à-faux, portée 12,5 m
Poutrelle continue en profilé
à âme pleine, portée 12 m
Ferme comme poutre
à treillis à deux membrures,
portée 36,6 m
Ferme comme poutre
à treillis à trois membrures,
portée 29,3 m
Ferme à cassure avec
­p orte-à-faux comme poutre
à treillis à trois membrures,
portée 54,5 m
11
Structures porteuses
1
2
3
4
5
7
1
2
3
4
5
6
6
12
Poutre alvéolaire
Poutre à trois membrures
Poutre Vierendeel
Poutre en R
Poutre à tirant inférieur
Présentation éclatée d’une
poutre à tirant inférieur
7 Exécution des nœuds pour
poutres à treillis
steeldoc 01/12
Ferme à âme pleine avec
tirant inférieur, portée 30,5 m
Ferme avec porte-à-faux
comme poutre à treillis à ­t rois
membrures, portée 28,8 m
Ferme à âme pleine haubanée,
portée 22,8 m
13
Structures porteuses
culés. Les montants et la traverse participent à part égale
à la transmission des efforts horizontaux (vent).
L’élaboration des angles de portiques demande une attention toute particulière. La déviation des efforts dans l’angle
engendre localement de fortes tensions qui demandent
des mesures constructives appropriées tel que des voûtes
ou des renforts. La réduction des coûts de fabrication
des angles conduit à des angles souples. En font parties
tous les angles de portiques dont le moment transmissible
ou la rigidité sont inférieurs à celles de la traverse rac­
cordée. L’investissement pour le dimensionnement de telles
constructions est nettement supérieur à celui nécessaire
pour des angles conventionnels. Pour cette raison, il faut
comparer exactement le coût plus avantageux de la fa­
brication par rapport au surcroît de dépense pour le dimensionnement.
Amada Solution Center,
Haan (D), architectes Takenaka
­Europe GmbH, Düsseldorf
Portiques
Propriétés portantes
La structure la plus répandue en construction métallique
est le portique. Contrairement aux structures composées
de piliers et de poutres avec une liaison articulée, les
­portiques sont caractérisés par une liaison rigide entre le
montant et la traverse. Dans le système porteur composé
de piliers et de poutres, seule la poutre est soumise
à la flexion, tandis que dans les portiques, la flexion est
répartie sur montants et la traverse. Ce comportement
avan­tageux aboutit à, en comparaison, une faible utilisation
de matière.
Le montant du portique doit en plus de l’effort normal reprendre les moments de flexion. Cela exige une section
avec une rigidité augmentée au niveau du portique. L’effort
de flexion dans un montant avec un pied articulé diminuant
entre l’angle supérieur et le pied de celui-ci, il est possible
de le rétrécir vers le bas. De par la sollicitation des éléments porteurs montants et traverses il est possible de
déduire certaines propriétés qui sont en relation avec
le mode de construction: les espaces qui sont entourés de
portiques sont des espaces nettement orientés.
Les constructions en portiques ne nécessitent pas de stabilisation supplémentaire dans leur surface. De par ce
fait il est possible d’intégrer de grandes portes cochères
dans les murs pignons. Par de généreuses surfaces de
­vitrages au niveau du portique la halle peut être ouverte
sur l’espace extérieur.
Une poutre simple plie sous la charge et les deux extrémités tournent sur les appuis. Autrement par contre pour le
portique, ici la liaison rigide entre le montant et la traverse
empêche la rotation libre des extrémités de la traverse et
les moments de flexion sont transmis dans le montant. Les
moments d’appuis développés par les angles du portique
amènent une diminution du moment en travée dans la traverse. Cela conduit à des sections de traverse nettement
inférieures par rapport à celles des poutres sur appuis arti-
14
Pour les structures en portiques des mesures de raidissement sont nécessaires uniquement dans le sens de la
­longueur de la halle. Il faut prévoir au moins dans une portée de la halle un contreventement horizontal et vertical.
Les contreventements en K ou en croix sont mieux adaptés que les panneaux pleins, des montants de portiques
encastrés ou la mise en place d’un portique supplémentaire dans le sens longitudinal de la halle.
Formes de portiques
Un portique est caractérisé par des liaisons rigides entre
les montants et la traverse. Ce détail typique marque
aussi la structure au niveau esthétique et demande par
ce fait une attention toute particulière.
Indépendamment de la subdivision des structures en portiques à deux articulations, à trois articulations et en
­portiques encastrés, on peut différencier les structures en
portiques à une nef, deux nefs et à nefs multiples. Une
­exception est donnée par le portique mono-montant où la
traverse est fixée de manière rigide seulement à un montant. Une multitude d’autres variantes de construction avec
des portiques est donnée avec la possibilité d’exécuter
la traverse ou les montants et la traverse en treillis. On peut
ainsi exécuter aussi bien des treillis à deux, à trois ou
plus de membrures. Si l’on optimalise la forme des portiques
d’après le flux des efforts, il en résulte des montants et
des traverses avec des flasques non parallèles. L’exécution
de portiques polygonaux à cassures diminue la contrainte
de flexion et rapproche la structure du portique de celle de
l’arc.
En règle générale on utilise pour les portiques de halles
des profils rigides. Les portiques de halles peuvent être
produits avec des profils laminés courants. Par leur adaptabilité au flux des efforts, les constructions soudées se
prêtent mieux aux plus grandes portées. Les constructions
en treillis sont généralement les solutions les plus éco­
nomiques pour les portées extrêmes.
steeldoc 01/12
A gauche:
Portique à deux articulations
avec angles souples en
­p rofilés pleins, portée 12 m
A droite:
Portique à deux articulations
en profilés pleins, portée 18 m
A gauche:
Poutre cellulaire comme
­t raverse de portique
A droite:
Portique à deux articulations
avec ferme à treillis à
deux membrures, portée 21 m
Portique à un montant
en p
­ rofilés à âme pleine,
portée 9 m
Portique encastré avec
­m ontants et ferme à treillis à
trois membrures, portée 30 m
Portique à deux articulations
avec montants et ferme
en ­p rofilés soudés pleins,
portée 48 m
15
Structures porteuses
Portique articulé en profilés
à âme pleine avec porte-à-faux,
portée 17 m
Portique encastré en profilés
rectangulaires creux,
portée 7,5 m
Portique à trois montants
en profilés à âme pleine avec
pieds articulés, portée 17 m
Portique à deux articulations
avec ferme comme
poutre ­V ierendeel en tôle brute,
­p ortée 36 m
A gauche: Faîte de portique
­r igide, boulonné, avec enveloppe
A droite: Coin de portique
­b oulonné, transition toit-parois
avec gouttière
16
steeldoc 01/12
Arcs
Propriétés portantes
Du point de vue de la relation entre portée et quantité ­de
matériau mise en œuvre, les structures à arcs représentent des systèmes porteurs particulièrement performants. Leur fonctionnement statique favorable permet
de franchir de manière économique des portées considérables. La manière dont les arcs reprennent et transmettent les efforts conduit à des structures archi­tec­­­tu­ralement intéressantes, qui expriment l’état d’équilibre,
propre aux arcs, entre efforts de traction et de com­
pression.
La principale caractéristique statique d’un arc «idéal» est
qu’il assure la reprise des charges verticales sans moment
de flexion. Dans un tel arc, qui présente la forme d’une
parabole, une charge verticale uniformément répartie ne
génère que des contraintes de compression. Ce cas de
figure idéal se présente toutefois rarement dans la réalité.
En ­effet, des charges ponctuelles ou non uniformes,
dues par exemple au vent ou à la neige, sollicitent en
général aussi la structure en flexion.
cercle, aussi prendre la forme d’une parabole, d’une ellipse
ou celle d’une forme incurvée. L’arc peut, dans ce cas, être
incurvé de façon continue ou se rapprocher de la forme
avec une courbe polygonale. La performance d’une structure porteuse en arc dépend des appuis. On différencie
les structures en arc où les appuis forment un point d’inter­
section avec la surface du terrain de ceux qui sont posés
sur des piliers. L’appui des arcs sur des piliers permet de
construire des halles à plusieurs nefs.
La mise en charge d’un arc provoque des réactions d’appuis caractéristiques. La force normale agissant dans
le sens de l’arc transmet à l’appui une composante horizontale et une composante verticale. Il en résulte: plus l’arc
est plat, plus la force horizontale à l’appui est grande. Ces
forces horizontales sont reprises par des fondations
adaptées ou des tirants. Généralement les tirants sont
intégrés dans le radier.
En principe on différencie entre les éléments porteurs à
âmes pleines (monocouches) et les fermes (deux cou­
ches). Pour des structures porteuses filigranes des fermes
sont utilisées, déjà pour de courtes portées, afin de
­permettre le raidissement au fléchissement. Des structures
monocouches, en profilés à âmes pleines, atteignent la
­limite de la rentabilité avec des portées d’environ 100 m.
Les arcs peuvent présenter des appuis articulés ou
en­castrés. La première solution offre au niveau des appuis
un jeu qui rend l’arc moins sensible aux changements de
charges, aux contraintes dues aux changements de tem­
pérature et aux tassements du terrain. Les arcs encastrés
étant plus rigides, ils sont plus sensibles à ces phénomènes. L’ajout d’une troisième articulation à la clé rend l’arc
isostatique, ce qui permet de minimiser dans une large mesure les contraintes supplémentaires indésirables.
Les structures en arc ne nécessitent pas de stabilisations
transversales supplémentaires. Les charges dans le sens
longitudinal de la halle, c’est-à-dire transversalement a
­ ux
arcs, sont à dériver avec des contreventements transversaux qui sont à disposer entre les arcs.
Maison d’habitation à
Breda (NL), architectes Studio
NL-D, Rotterdam
Comme le montre l’exemple de Waterloo Station, il est
aussi possible de former un arc comme structure avec des
tirants inférieurs et supérieurs. Une autre possibilité pour
construire une structure porteuse en arc rentable est
de prévoir un contreventement en éventail sous l’arc. Les
sollicitations à la flexion à l’intérieur de l’arc sont de ce fait
en grande partie éliminées. Une variante de la structure
porteuse en arc est le toit en arc. En intégrant la structure
porteuse dans l’enveloppe du bâtiment on obtient une
structure porteuse de surface très rentable dans laquelle
par ex. deux couches de tôles trapézoïdales s’appuient sur
un porteur en chéneau.
Les formes d’arcs
Les structures porteuses en arcs peuvent se présenter
sous différentes formes. Elles ne se limitent pas seulement
au segment de cercle déjà utilisé par les Romains et qui
avaient des avantages constructifs pour l’exécution des
arcs en maçonnerie. Un arc peut, à part la forme d’arc de
17
Structures porteuses
Arcs articulés en profilés
à âme pleine avec tirant,
portée 10 m
Arcs à deux articulations en
profilés à caissons avec tirant,
portée 73 m
Arcs à trois articulations
en poutres à treillis à deux
membrures, portée 69 m
Arc encastré à segments
en poutres à treillis à deux
membrures comme système
de ­c onstruction, portée jusqu’à
90 m
Arc encastré de forme elliptique en profilés à âme pleine,
portée 14 m
18
steeldoc 01/12
Arc asymétrique à trois
­a rticulations avec poutres en
profilés creux ronds avec
­t irants inférieurs et supérieurs,
portée 35 – 50 m, station de
Waterloo, Londres
Arc haubané à deux articu­
lations en profilés creux ronds,
portée 52 m
Articulation du faîte d’un arc
à trois articulations en poutres
à treillis
Articulation du pied d’un arc
à trois articulations en poutres
à treillis à deux membrures
Construction en arc sur bâti
comme construction porteuse
de superficie à double coque
(toit en voûte) avec gouttière
et tirant inférieur
19
Structures porteuses
Cité du Design,
Saint-Etienne (F)
Structures porteuses spatiales
Propriétés portantes
Les structures tridimensionnelles peuvent prendre des
formes très diverses. Toutes ont cependant pour point commun de reprendre les efforts de manière aussi uniforme
que possible dans deux ou trois directions, grâce à des
éléments disposés dans deux ou trois dimensions.
Parmi les structures spatiales, on distingue entre les structures planes et les structures courbes. Les premières sont
en général sollicitées en flexion, tandis que les secondes
peuvent être conçues comme des structures travaillant en
flexion, en compression ou en traction. Les structures
travaillant en compression présentent la plupart du temps ­
une courbure convexe, celles travaillant en traction une
courbure concave.
Une structure spatiale n’est vraiment efficace que si elle
est sollicitée de manière uniforme dans toutes les directions. ­Si tel n’est pas le cas, l’une d’elle – la plus courte –
fonctionnera comme direction principale, l’autre comme
direction secondaire. Dans le cas d’une grille de poutres,
c’est lorsque les poteaux sont disposés selon une trame
carrée que les charges sont reprises de façon tout à
fait uniforme. Si les poutres n’ont pas la même longueur
dans les deux directions, celles-ci seront sollicitées de
­manière inégale.
Pour une meilleure répartition des efforts il est judicieux
de ramifier certains piliers de manière à ce que les efforts
normaux puissent être introduit depuis plusieurs jonctions
de la dalle dans le pilier.
Formes des structures porteuses spatiales
Les structures porteuses spatiales sont les systèmes les
plus efficients en ce qui concerne la quantité de matière
nécessaire par mètre carré de surface couverte. La ré­
partition, principalement en membrures en traction ou en
compression, permet l’exécution de structures porteuses
très élancées. Les constructions économisant la matière
ne sont pas pour autant plus rentable. Les différentes
­travées de la structure demandent des points de jonction
d’envergures requérant beaucoup de travail. A quoi
s’ajoute un investissement plus grand pour le raccordement de l’enveloppe du bâtiment à la structure.
Les nombreuses possibilités de combinaison d’éléments
porteurs permettent l’exécution de structures expressives.
Les structures spatiales se distinguent par le fait que leur
utilisation gagne en attractivité avec l’augmentation de la
portée. Aucune autre structure ne permet d’exprimer aussi
bien l’état d’équilibre des forces internes.
Parmi les structures sollicitées en flexion, on distingue
entre les grilles de poutres et les treillis tridimensionnels.
Une grille de poutres se compose de poutres entrecroisées, dont les assemblages sont rigides. Dans le cas des
grilles de poutres à treillis, ce sont des poutres à treillis
planes qui s’enchevêtrent.
On parle d’un treillis spatial lorsque la membrure supérieure
et la membrure inférieure sont décalées l’une par rapport
à l’autre d’un demi champ de la grille. Aussi bien la grille que
le treillis spatial correspondent dans leur comportement
sous la charge à une dalle. La position des appuis est déterminante pour une répartition la plus régulière possible de
l’effort. De bonnes conditions d’appui sont données par
un appui régulier des bords de dalle ou aussi par des piliers
simples en retrait. Dans ce dernier cas le porte-à-faux de
la dalle a comme effet de décharger le champ.
20
steeldoc 01/12
Détail de la structure arquée
d’une grille en treillis de barres
de profils creux ronds
Grille à plusieurs panneaux ­
en poutres à treillis à
deux membrures, portée 15 m
Treillis spatial sur quatre
appuis à un panneau, ­
portée 21,6 m
Grille à plusieurs panneaux
en poutres à treillis sur
une grille continue en traverses
à âmes pleines appuyée sur
des montants ramifiés en profils
ronds creux, portée 36 m
21
Structures porteuses
Système avec poutres
­p rincipales et secondaires
à recouvrement spatial,
portée 18 m
Structure en arc comme grille
à barres de profils creux ronds,
portée 69 m
22
steeldoc 01/12
3 Enveloppe du bâtiment
L’enveloppe du bâtiment délimite l’espace intérieur proté­gé comme zone climatique indépendante de l’espace
­extérieur. Elle forme une barrière contre le vent, la pluie et
la neige, mais elle permet l’incursion de la lumière du jour,
le renouvellement de l’air ambiant ainsi que l’accès. De
toutes les fonctions incombant à l’enveloppe du bâtiment,
tel que l’intégration de portes et de portes cochères, de
fenêtres et de pare-soleils, la protection du climat extérieur et de l’aspect important de donner au bâtiment son
image caractéristique, il est possible de traiter, ci-après,
que quelque un de ces points.
structure. Des parois monolithiques perméables à la diffusion de vapeur, p. ex. le béton cellulaire, sont comparativement sans problèmes, l’humidité pouvant diffuser. Pour des
parois extérieures multicoques la pose d’un frein-vapeur
sur la face intérieure empêche la formation de rosée dans
la paroi. Pour des façades ventilées il suffit de poser un
frein-vapeur sur la face intérieure.
Les parois extérieures étanches à la vapeur sur les ­
deux faces, p. ex. les éléments sandwich PUR, empêchent
la ­diffusion vapeur. En règle générale, dans des locaux
étanches à la vapeur, l’humidité de l’air doit être contrôlée
et régulée par des mesures techniques.
Protection thermique
Pour des halles la surface de l’enveloppe est relativement
faible par rapport au volume. Il en découle des exigences
relativement faibles à l’isolation thermique de l’enveloppe.
Pendant la période de chauffage l’enveloppe du bâtiment
a pour fonction de réduire au minimum les pertes de
­chaleur de l’intérieur vers l’extérieur par une isolation et
une étanchéité efficace. En été, au contraire, la fonction
de l’enveloppe est d’écarter l’énergie du rayonnement
­solaire de l’intérieur de la halle. L’isolation thermique en
été dépend de l’ensemble de la surface, de l’orientation
des ouvertures pour la lumière du jour ainsi que de l’efficacité temporaire des pare-soleils.
Pour une question d’économie, les parois extérieures ­
des halles sont la plus part du temps des constructions
légères. La capacité d’emmagasiner de la chaleur par
la paroi extérieure n’a pas une influence prépondérante
pour la protection de la chaleur estivale.
Protection contre l’humidité
Pour une fonctionnalité sans réserve de tous les éléments
de la paroi extérieure une protection adaptée contre
­l’humidité est nécessaire. Sur la surface de transition entre
l’espace extérieur et intérieur qui est formée par l’enveloppe du bâtiment s’établit une chute de température.
Comme l’air chaud peut absorber plus d’humidité que l’air
froid, il se forme en plus une chute du taux d
­ ’humidité ­
de l’air. Lors d’une diffusion vapeur à travers la paroi ex­
térieure, il peut se former de la condensation. Le point de
rosée décrit une limite de température à laquelle l’humidité de l’air dépasse la valeur de saturation par ­rapport à
la température.
A l’intérieur d’une paroi multicoque une humidification
de l’isolation thermique est ainsi possible ce qui réduirait
son pouvoir isolant. En plus, une humidité incontrôlée
peut corroder des éléments de la paroi extérieure et la
Protection phonique
Des exigences minimales pour la protection phonique des
bâtiments existent dans tous les pays européens. Dans
la construction industrielle il faut en plus tenir compte des
valeurs limites d’émission pour le bruit.
Toutes les mesures pour la protection phonique des
­bâtiments se basent sur trois principes physiques:
• Plus la masse d’un élément de construction est élevée,
plus la transmission sonore est faible.
• D
ans des constructions multicoques le principe de ­
la dissociation provoque une interruption des voies de
transmissions sonores.
• Par l’absorption le son est transformé en énergie
­thermique ou mécanique.
Il est ainsi possible d’endiguer la diffusion sonore, p. ex.
d’une machine, par une fondation massive (masse) ou p
­ ar
une désolidarisation complète de la fondation de la machine du bâtiment (coupure) ou de manière la plus efficace
par des amortisseurs (absorption). Pour des sources
de bruit isolées qui génèrent un fort bruit aérien il est
conseillé d’isoler localement la source du bruit p. ex. avec
des éléments en acier composite.
Pour l’isolation d’un niveau sonore général très élevé, des
revêtements absorbants sur les parois et les plafonds sont
le plus efficaces. Une mesure économique pour l’isolation
phonique est la pose de tôles trapézoïdales ou de ca­settes
trouées, car l’isolation minérale se trouvant derrière peut
aussi bien servir d’isolation phonique que thermique.
Les parois extérieures multicoques améliorent avantageusement la valeur de l’isolation phonique de celles-ci. La
coque intérieure, l’isolation et la coque extérieure forment
ainsi un système masse-ressort-masse. Des parois extérieures en construction légère qui exigent une isolation
acoustique plus élevée peuvent, par la mise en place ciblée
de masses acoustiques efficaces p. ex. en panneaux durs,
23
Enveloppe du bâtiment
être améliorés pour satisfaire pratiquement à toutes les
exigences phoniques.
Systèmes de construction pour toits et parois
1a
1c
1b
1d
Une possibilité évidente pour l’exécution de l’enveloppe
d’un bâtiment en construction métallique est l’utilisation
d’éléments de construction préfabriqués industriellement
en tôle fine avec des surfaces ennoblies. A ce sujet on
­différencie les profilés trapézoïdaux, les casettes, les
­profilés spéciaux et les éléments sandwich. En principe ils
sont tous utilisables aussi bien en toiture qu’en parois.
Les profilés trapézoïdaux sont utilisés de préférence com­me coque porteuse intérieure pour la construction de ­la
­toiture, alors que les casettes, en règle générale, forment la
coque intérieure des parois extérieures. Ce sont des éléments qui peuvent être soumis à la flexion et qui sont pourvus d’isolation thermique. Pour la construction de la coque
extérieure du toit et des parois, soumise aux intempéries,
on peut utiliser des tôles trapézoïdales et toute une série
de tôles spéciales. Dans les éléments sandwich un noyau
en mousse polyuréthane établit en général une liaison
­résistante au cisaillement entre la coque intérieure et extérieure, de manière à réunir les fonctions d’isolation ther­
mique et porteuses en un élément. Les éléments sandwich
peuvent par ce fait être utilisés aussi bien dans la toiture
que dans les parois.
Dans la construction multicouche des parois extérieures
d’autres matériaux peuvent assumer des fonctions partielles au sein de l’enveloppe du bâtiment. L’industrie offre
un large assortiment de profilés en tôle et d’éléments
de construction pour le toit et les parois.
2a
2b
2c
2d
Fig. 1a–d: Construction de
­p arois en éléments sandwich
plans et profilés, en panneaux
et en isolation thermique
posée librement entre deux
coques en tôle.
Fig. 2 a–d: Construction d’une
paroi en casettes métalliques
isolées avec des panneaux ­e n
fibres minérales et un bardage
en tôle ondulée ventilé.
24
steeldoc 01/12
Eclairage
Les halles sont éclairées naturellement par des vitrages
muraux dans les parois ou des lanterneaux dans le toit.
Le terme éclairement lumineux permet de mesurer la clarté.
Il est par ce fait un paramètre important pour la planification de la lumière. L’éclairement lumineux est défini par le
flux lumineux qui apparait sur 1 m2 de surface de halle.
L’éclairement lumineux s’exprime en Lux. Des éclairements
lumineux courants sont 50 000 à 100 000 Lux par temps
ensoleillé et 5000 Lux par temps couvert. L’éclairement lumineux dans des locaux varie de 30 à 2000 Lux en fonction
des exigences de l’activité. En règle générale un éclairement
de 500 Lux est suffisant sur les lieux de travail. Dans l’ha­
bitation 50 Lux sont suffisant et un éclairage de rue livre 5
Lux. On mesure 0,5 Lux à la pleine lune.
1
Les dessins des images 1–4 montrent les possibilités
d’éclairage avec la lumière du jour d’une halle. La luminosité
relative est représentée pour différentes ouvertures pour
la lumière du jour sous forme de ligne du quotient de la lumière du jour. Le quotient de la lumière du jour dépend
comme mesure pour l’exploitation de la lumière de la disposition des ouvertures pour la lumière du jour. Il indique le
pourcentage de l’éclairement lumineux existant à l’extérieur
qui peut être mesuré à l’intérieur de la halle.
Les représentations schématiques montrent comme l’éclairement lumineux de la lumière du jour pénétrant latéralement diminue avec l’augmentation de la distance depuis la
paroi extérieure et comme avec des ouvertures pour la
­lumière du jour dans la toiture on peut assurer un éclairage
régulier.
2
1 Lanterneaux ponctuels
avec schéma de répartition
de la lumière du jour
2 Lanterneaux linéaires
avec schéma de répartition
de la lumière du jour
3 Bandes de fenêtres
avec schéma de répartition
de la lumière du jour
3
4
4 Sheds, avec schéma
de répartition de la lumière
du jour
25
Enveloppe du bâtiment
Aération
Aération mécanique
La nécessité d’installations de ventilation et de climatisation pour le conditionnement de l’air est donnée pour
des halles de sports et les locaux de réunions par le taux
de renouvellement de l’air respiré et dans les ateliers
et les halles industrielles par les conditions de production.
L’équipement d’une halle avec une installation de venti­lation
ou de climatisation a les avantages suivants:
• Les nuisances extérieures venant du bruit, de la pollution
et des odeurs peuvent être écartés de l’intérieur de la
halle.
• La température, l’humidité de l’air et la pureté de
l’air a­ mbiante de la halle peuvent être adaptées aux
conditions d’exploitation.
• Les éventuels développements de chaleur, d’odeurs ­et
de polluants en relation avec le processus de production
peuvent, si nécessaire, être éliminés de manière ciblée
par des installations de filtrage, de manière à ce que la
concentration tolérable de polluant ne soit pas dépasLocaux techniques séparés
La conséquence d’une alimentation et d’une évacuation
­e xterne est la grande longueur
des conduites. Cette manière
de construire permet toutefois
un aménagement additionnel
de l’installation de ventilation
ou de climatisation.
Locaux techniques sur le toit
L’avantage est le peu de surface nécessaire combiné avec
installation économique des
conduites. Les inconvénients
sont la charge sur la structure
par les agrégats de l’installation technique ainsi que l’obligation d’isoler méticuleusement
tous les éléments.
Locaux techniques ­
au sous-sol
La solution la plus couteuse
est de placer les locaux techniques dans une zone sous
le niveau du sol de la halle ou
dans une cave. L’avantage
est l’utilisation de la surface
totale de la halle.
26
sée. L’orientation et la distribution de l’air peuvent être
faites de manière à éviter l’apparition de courants d’air.
• Une installation de ventilation ou de climatisation
­permet une meilleure exploitation du refroidissement
nocturne, en été.
• En hiver, la mise en place d’un récupérateur de cha­leur
permet de réduire drastiquement l’énergie pour le
chauffage.
Aujourd’hui, une installation de ventilation ou de climatisation
dans la construction industrielle est la règle. Les installations de ventilation demandent de fortes sections. Les
groupes connectés tel que ventilateurs, filtres, unités de
chauffage et de refroidissement ont aussi un grand v­ olume.
L’intégration de ces éléments dans la structure et l’enveloppe est une tâche qui est déjà à l’ordre du jour a­ u stade
du projet et qui a une grande influence sur la structure
du bâtiment. Dans les bâtiments avec beaucoup d’installations les dépenses pour la planification de la technique
du bâtiment sont supérieures à celles de la structure et la
construction de l’enveloppe du bâtiment. Il est pour cette
raison de la plus grande importance de tenir compte dès le
départ de l’interférence des systèmes. Cela demande une
collaboration précoce entre l’architecte, le concepteur de
la structure et les ingénieurs spécialisés dans l’aménagement
technique.
Aération naturelle
Dans beaucoup de cas, une aération naturelle suffit au
conditionnement technique de l’air ambiant d’une halle. Avec
l’augmentation de la grandeur de la halle, les possibilités ­
du renouvellement de l’air et de l’évacuation de la chaleur
atteignent des limites. Indépendamment de la hauteur,
une largeur de halle de 15 m est la limite supérieure pour
une aération efficace par les fenêtres.
L’échange d’air nécessaire peut être soutenu par des ouvertures de ventilation dans le toit. Une disposition soignée des
ouvertures pour amener et évacuer l’air permet aussi dans
de grandes halles de réaliser l’échange d’air nécessaire.
L’efficacité de l’amenée et l’évacuation naturelle de l’air sont
fortement influencées par le microclimat entourant la halle,
c’est-à-dire la direction du vent, l’urbanisation environnante
et la hauteur du bâtiment ainsi que des mesures prises pour
la circulation de l’air.
A part cela, il faut tenir compte des aspects suivants:
• Des protections solaires pouvant empêcher
le renouvellement de l’air,
• des éventuelles nuisances extérieures dues au bruit
ou aux odeurs,
• de l’humidité de l’air extérieure qui ne peut pas être
­influencée,
• de la part de la perte de confort par les courants d’air
et de la perte énergétique de chaleur.
steeldoc 01/12
4 Protection contre les incendies
La protection contre les incendies comprend toutes les
mesures préventives qui empêchent un incendie et la
propagation du feu et de la fumée et qui permettent lors
d’un incendie le sauvetage des personnes et des animaux
ainsi qu’une lutte anti-incendie efficace. La protection
des personnes est au premier plan. Elle comprend dans
le détail les mesures suivantes:
Evacuation de la fumée et de la chaleur
A part le feu, la mise en danger par la fumée ne doit pas
être sous-estimée. Elle occasionne en cas d’incendie la
plupart des victimes et engendre des dégâts matériels et
des coûts d’interruption de l’exploitation considérables.
Pour la protection des personnes, des mesures permettant
l’évacuation rapide de la fumée peuvent être déterminant.
A cet effet, il faut prévoir dans le toit et les parois des installations pour l’évacuation de la fumée qui s’ouvrent de
manière indépendante en cas d’incendie. Elles doivent
être distribuées régulièrement sur la surface de base de la
halle. En plus des chicanes antifumée et thermiques dans
les plafonds et le toit délimitent la propagation des fumées
chaudes et garantissent pour une certaine durée une couche sans fumée suffisante au-dessus du sol.
Poteaux en construction
mixte acier-béton
1a Profilé creux rempli de
béton: sous l’effet de
l’incendie, le noyau en
béton reprend les charges
1b Noyau en acier avec enrobage en béton et acier:
le béton protège le noyau
des températures élevées
1c Profilé en acier enrobé
de béton
Protection constructive
passive des solives
2a Profilé sans enrobage
en construction mixte avec
la dalle en béton – résistance au feu jusqu’à R30
2b profilé bétonné entre
les ailes
2c faux-plafond résistant
au feu
2d peinture de protection colorée ou enduit projeté
2e enrobage avec des
plaques de protection
Chemins de fuite et de sauvetage
Les chemins de fuite permettent en cas d’incendie une
fuite rapide et sûre, de chaque point de la halle, vers
l’extérieur ou une zone sécurisée. Le nombre, la disposition,
la forme et les dimensions des chemins de fuite sont réglés dans les prescriptions des autorités.
Accessibilité
Les mesures et les dispositifs qui concernent la pénétration des sauveteurs dans le bâtiment font aussi parti de la
protection des personnes. En font partie les accès pour
les véhicules de sauvetage et de pompier de même que les
chemins de fuite comme entrée ainsi que d’autres ouvertures qui permettent la pénétration dans le bâtiment.
Compartiments coupe-feu
Pour réduire les dégâts provoqués par un incendie on prévoit des compartiments coupe-feu. La grandeur des compartiments coupe-feu est réglée dans les prescriptions des
autorités. Des mesures spéciales telles que des installations d’extinction automatique à eau (sprinkler) permettent
des compartiments coupe-feu plus importants.
Installations d’extinction
Des installations de détection d’incendie servent à une
rapide et efficace intervention des pompiers. Des hydrantes
et des réservoirs d’eau accessibles par les pompiers sont
les conditions préalables pour une lutte efficace contre
l’incendie. Les installations d’extinction automatique à eau
(sprinkler) font partie, entre autres, des installations automatiques efficaces d’extinction.
1a
1b
2a
1c
2b
2d
2c
Mesures de protection constructives
Les parois, les treillis, les pannes et les piliers forment
la partie portante et le raidissement de la construction d’un
bâtiment. Leur stabilité doit aussi être donnée lors d’un
incendie pour la durée des mesures d’extinction et de sauvetage pour tenir le risque de blessure des forces
d’intervention au plus bas.
La mesure de protection constructive la plus courante est
l’enrobage des éléments en acier, soit directement, soit
en laissant un espace, utilisable pour placer les conduites.
Une autre solution rationnelle et répandue consiste en
l’utilisation de constructions mixtes où les poteaux et les
poutres sont partiellement ou entièrement remplis de
béton. Souvent, les poteaux en acier sont entourés d’un
manteau en acier qui sert de coffrage pour le béton. Le béton de remplissage protège le profilé intérieur contre un
échauffement excessif et peut contribuer à la reprise des
charges. Si, au contraire, on remplit de béton un poteau
en tube d’acier, sous l’effet d’un incendie, un déplacement
des charges se produira et ce sera le noyau en béton qui
reprendra la fonction du poteau.
2e
27
Protection contre la corrosion et intégration des systèmes
5 Protection contre la corrosion
Dans la construction métallique les éléments de construction
ne doivent pas seulement résister aux efforts mécaniques,
mais aussi à la corrosion.
L’acier n’est pas menacé par la corrosion si l’humidité re­lative
de l’air est inférieure à 60 %. Pour une humidité de l’air
supérieure, l’acier doit être protégé contre la corrosion. La
protection anticorrosive de l’acier s’effectue avec des
revêtements ou des films de protection métallique ou la
combinaison des deux (système duplex).
Protection contre la corrosion sur mesure
La protection anticorrosive sur mesure fait partie de la
construction économique, il faut cependant tenir compte
des expositions à la corrosion et des conditions climatiques ainsi que du genre et de la durée d’utilisation. Dès
la con­ception de la structure, il faut veiller à ce que la
construction soit conçue conformément à la protection
anti­cor­r­osive, de manière à ce qu'aucune matière corrosive,
p. ex. saleté, sels, solutions agressives, eau etc. ne puisse
se déposer sur les surfaces.
Les surfaces de la construction métallique soumises à
la corrosion doivent être le plus petit possible et peu struc­
turées. Tous les éléments métalliques doivent être abordables ou accessibles pour permettre l’exécution, le con­trôle et la réparation de la protection anticorrosive. Ainsi,
des éléments métalliques non accessibles sont à protéger
plus durablement que ceux qui sont accessibles. Les locaux
intérieurs chauffés et secs nécessitent en général qu’une
protection légère ou aucune protection. Les éléments de
construction creux ne nécessitent, en règle générale,
pas de protection anticorrosive intérieure s’ils sont fermés
hermétiquement.
Revêtements
Revêtement est le terme général pour une ou plusieurs
couches cohérentes de pigments et de liants (en général
minéral) sur la surface de l’acier. On différencie les couches
de bases, intermédiaires et de finition. Pour atteindre
l’adhérence et la durabilité nécessaire du revêtement, la
surface en acier doit être nettoyée et rendue rugueuse.
Ceci comprend l’élimination d’anciennes couches étrangères (salissure, poussière, huile ou restes d’anciens revêtements) et de couches propres au système (résidus de
laminage, rouille) p. ex. par sablage, brossage ou ponçage.
La durabilité du revêtement dépend fortement du soin
apporté à la préparation soignée de la surface. Après la
préparation de la surface, la couche de base est appliquée
le plus rapidement possible pour éviter une nouvelle
pollution. Elle protège de la corrosion et sert de couche
d’accrochage pour les couches suivantes. De plus en plus
les éléments métalliques reçoivent une préparation de
28
la surface et une couche de base avant la fabrication dans
l’atelier de constructions métalliques, qui servent de
protection anticorrosive temporaire. A part les revêtements
mouillés, utilisés traditionnellement en construction
métallique, il existe aussi la possibilité d’utiliser des systèmes de revêtements par poudre.
Films de protection métalliques
Film est le terme général pour une ou plusieurs couches de
métal sur une surface en acier. Le film le plus usité dans
la construction métallique est la galvanisation à chaud. La
préparation de surfaces comprend (si nécessaire) le dégraissage et l’élimination de la rouille et des résidus de
laminage dans des bains décapants ainsi qu’un traitement
des flux de brasage. La galvanisation à chaud s’effectue
dans des bains de zinc à une température d’environ 450 °C.
Sur la surface se forme une couche d’alliage de fer-zinc
avec par-dessus une couche de zinc pur. La couche de zinc
à une épaisseur d’environ 0,05 à 0,15 mm en fonction de
l’épaisseur du matériau et du type d’acier. La composition
chimique de l’acier, spécialement la teneur en silice, à une
grande importance sur le résultat de la galvanisation à
chaud. Pour cette raison, il est indiqué lors de la commande
de l’acier de spécifier qu’il sera galvanisé. Une attention
spé­ciale est à vouer à une protection anticorrosive et une
galvanisation à chaud adaptées à la construction. Font partie entre autres:
• La construction des nervures, des tôles des nœuds,
des tôles d’angles doit permettre l’écoulement du zinc
en fusion.
• Eviter les cavités; si ce n’est pas possible, prévoir
de grandes ouvertures pour une bonne ventilation et un
bon afflux et écoulement du zinc en fusion.
• Construire et fabriquer avec peu de tensions pour
­éviter les déformations dans le bain de zinc.
Revêtements sur des éléments galvanisés
(systèmes duplex)
En plus du zingage, les éléments de construction peuvent
être pourvus d’un revêtement. A côté de l’effet décoratif, ce
type de revêtement prolonge considérablement la durabilité
du zingage (effet de synergie). L’entretien et le renouvellement de la protection de surface sont fortement simplifiés,
la couche de zinc étant, en règle générale, entièrement
conservée. Cela a avant tout de l’importance pour des éléments de construction soumis aux intempéries.
steeldoc 01/12
6 Intégration des systèmes
Sont désignées primordialement par «intégration des systèmes» les relations que prennent les systèmes de structure, d’enveloppe et de construction technique les unes par
rapport aux autres dans l’espace. Mais le terme désigne
aussi l’assemblage de systèmes partiels en un système total, indiquant ainsi le processus du projet, qui attribue à
chaque élément de construction des dimensions définies et
une place assignée à l’intérieur de la construction.
Il est facile de montrer, à l’exemple de la construction d’une
halle, l’imbrication des différents systèmes de structures,
d’enveloppes et de constructions techniques.
Structure
Le choix d’une structure adaptée à la fonction est la condition préalable pour la réussite de la conception de la
structure. Le dimensionnement des éléments porteurs doit
être adapté aux différentes sollicitations. Les nœuds et
les détails doivent exprimer la forme de la structure et
l’écoulement des efforts à l’intérieur du système porteur.
Une forme de la construction adaptée aux contraintes est
la condition préalable à une apparition esthétique.
Enveloppe
L’enveloppe du bâtiment est un système totalement indépendant. Elle forme la limite entre l’intérieur protégé et
la nature. D’un côté, elle doit former une barrière efficace
contre le vent, la pluie et la neige. D’un autre côté, elle
devrait comme couche limite perméable garantir l’échange
avec l’air environnant, permettre l’incursion contrôlée de
la lumière du jour et en hiver laisser pénétrer l’énergie de
rayonnement. En comparaison à la structure qui est un
système monofonctionnel, l’enveloppe est polyvalente.
Aménagement technique
Dans le terme «aménagement technique» sont intégrés tous
les sous-systèmes qui garantissent le fonctionnement
et la sécurité du bâtiment. En font partie le conditionnement
de l’air ambiant et l’approvisionnement en énergie ainsi
qu’en gaz, en eau et en air. Les installations techniques de
sécurité qui servent à la protection incendie du bâtiment
sont aussi des éléments importants. Font aussi partie de
l’aménagement technique les installations sanitaires, les
systèmes de l’aménagement intérieur tels que parois, planchers, plafonds et les éléments d’accès tels qu’escaliers
et ascenseurs.
La combinaison entre la structure et l’enveloppe est fortement influencée par la conception des points de liaison et
de pénétration des deux systèmes. La structure et l’enveloppe réagissent de manière différente aux efforts. Pour
cette raison il faut souvent reprendre des mouvements aux
points de liaison. Il est conseillé de désolidariser le plus
possible la structure et l’enveloppe et de réduire ainsi au
minimum les points de pénétration.
Concepts d’intégration
Structure intérieure, enveloppe extérieure
Cette disposition exclut en grande partie les ponts
thermiques. L’enveloppe entoure de manière protectrice
l’ensemble de la structure. Le seul inconvénient est
l’augmentation du volume et du chauffage nécessaire.
Les structures métalliques ont l’avantage, grâce à
leur élancement et leur finesse, de réduire à un minimum
les augmentations de volumes.
Toit froid
La construction du toit est divisée en deux couches. La
couche extérieure à la fonction d’étanchéité contre la
neige et la pluie et repose sur les membrures supérieures
de la structure. La couche intérieure est fixée aux membrures inférieures de la structure et doit aussi être reliée
avec un pare-vapeur à la coque extérieure pour éviter
la condensation. Cette disposition offre un faible volume
à chauffer tout en évitant en grande partie les ponts
thermiques. En été le toit froid agit comme «parasol» et
diminue, par une aération efficace, le réchauffement de la
halle par le rayonnement solaire.
Structure extérieure, enveloppe intérieure
Ici il faut faire attention aux points de pénétration entre la
structure et l’enveloppe. Des systèmes pendus sont à
favoriser puisque les membrures tendues, traversant l’enveloppe, sont de faible section. La halle peut être réduite
au gabarit nécessaire. Comme la structure est à l’extérieure,
une protection anticorrosive adaptée est nécessaire.
Structure partiellement extérieure
Cette disposition de la structure et de l’enveloppe comporte
le plus de ponts thermiques, de par le fait que non seulement les membrures tendues de faible section mais aussi
les membrures soumises à la flexion, avec des sections
conséquentes, traversent l’enveloppe. Les pénétrations soumises à la flexion peuvent être résolues constructivement
en couples de force où des isolations résistantes à la pression réduisent les ponts thermiques.
29
Durabilité
7 Durabilité
Un bâtiment durable se caractérise par un équilibre des
qualités écologiques, sociales et économiques:
Rentabilité
La rentabilité d’un bâtiment se subdivise en deux dimensions. D’un côté, les coûts de construction et d’exploitation
doivent être le plus faible possible. De l’autre côté, les
bâtiments – particulièrement les halles industrielles –
doivent présenter une grande souplesse d’adaptation aux
besoins changeants d’utilisation.
Le matériau acier est spécialement bien adapté pour remplir
ces exigences. Grâce à sa résistance, il permet de grandes
portées et aussi des renforcements ultérieurs, par exemple
pour la mise en place de ponts roulants ou d’ouvertures
dans le toit, ainsi que l’agrandissement des halles des deux
côtés. Le choix des liaisons boulonnées permet un démontage sans dégâts, ce qui permet même, selon les besoins, de
démonter entièrement une halle et de la remonter à un
autre endroit.
Qualité écologique
L’évaluation de la qualité écologique de bâtiments se base
principalement sur un bilan écologique. A cette occasion,
divers impacts sur l’environnement sont déterminés, par
exemple le potentiel de réchauffement qui se forme pendant la durée de vie du bâtiment. Des études montrent que
le choix du matériau de construction de la structure n’a
qu’une influence secondaire (env. 20 – 30 %) sur le bilan
total d’un bâtiment.
Par l’utilisation d’aciers à hautes résistances par rapport à
un acier S235, on peut réaliser des économies appréciables sur le poids de la structure ce qui réduit fortement
le potentiel de réchauffement.
Aspect social
Les halles industrielles sont des places de travail et leur
qualité créatrice marque l’environnement, aussi bien dans les
zones industrielles que dans le paysage. De ce fait, des
facteurs «mous» influencent la fonctionnalité et l’acceptabilité d’un bâtiment. Cela inclut, entre autres, la protection
Impact indirect de la sorte
d’acier sur le potentiel
de r­ échauffement global
à l’exemple d’un portique
à deux articulations.
30
Potentiel
de réchauffement
Treibhauspotenzial
[t COglobal
2 -Äq.]
[t CO 2-Äq.]
25
25
20
20
15
15
10
10
55
00
S235
S235
S335
S355
Nuance d’acier
Stahlsorte
S460
S460
Cité du Design, SaintEtienne (F), certifié selon
le standard français
HQE (Haute Qualité Environnementale)
thermique et phonique, le confort acoustique et l’éclairage,
qui ont déjà été traités dans les chapitres précédents. Ils
sont considérés au même titre que la qualité économique
et écologique pour l’évaluation de la durabilité.
En considérant plus en détail les aspects de la durabilité,
on s’aperçoit qu’il semblerait que les indicateurs fondamentaux de la durabilité se reflètent dans des thèmes «sans
importance pour la durabilité» qui sont observés depuis des
années dans la pratique de la construction. La construction métallique qui a fait ses preuves depuis des dizaines
d’années dans la construction de halles est aussi apte à
remplir les «nouvelles» exigences de la durabilité. Le recyclage total du matériau de construction acier permettra
aussi aux générations futures de profiter des avantages de
la construction métallique.
Suggestions pour la planification de halles
­durables
Les suggestions suivantes facilitent la planification et la
construction de halles durables:
1. Une planification intégrale – la participation de tous les
acteurs (architecte, concepteur spécialisé, maître d’ouvrage, utilisateur) représente le premier pas vers une
construction durable. Le concept de construction peut
être optimalisé par l’intégration précoce d’un maximum
d’intéressés.
2. Le choix de profilés, de nuances et de qualités d’acier
courants diminue le coût des matériaux.
3. Une préfabrication à l’usine garantit des places de travail
à l’abri des intempéries, une haute qualité et aboutit
souvent à un raccourcissement du temps de construction,
la structure pouvant être préparée pendant l’exécution
des fondations.
4. Pour le montage il est conseillé de choisir des liaisons
boulonnées, la soudure sur le chantier demandant
­généralement des protections coûteuses.
steeldoc 01/12
Impressum
steeldoc 01/12, mars 2012
Documentation technique tec03
Halles et hangars – Guide de conception
Editeur:
SZS Centre suisse de la construction métallique, Zurich
Evelyn C. Frisch, Directrice
Rédaction et mise en page:
Evelyn C. Frisch, Virginia Rabitsch SZS
Source:
Hallen aus Stahl, Planungsleitfaden, Nr. B 401 (2011)
Editeur: bauforumstahl e. V., Düsseldorf D
Auteurs: Friedrich Grimm, Freier Architekt, Ronald Kocker,
­b auforumstahl e.V.
Dessins: Friedrich Grimm, Ronald Kocker, Michael Schaubert
Traduction: Louis Cornuz, Léo Biétry
Photos:
Couverture: Jan-Oliver Kunze, Cité du Design, Saint Etienne
Editorial: Holger Knauf, Amada Solution Center, Haan
Photo page 5: ProKilo-Markt, Kerschgens Stahl&Mehr GmbH
Photo page 10: Alexander Gempeler, Bern
Photo page 14: Holger Knauf
Photo page 17: Hans Werlemann, Rotterdam, aus Steeldoc 01/2011
Photos pages 20, 30: Jan-Oliver Kunze
Conception graphique: Gabriele Fackler, Reflexivity AG, Zurich
Administration abonnements: Giesshübel-Office, Zurich
Impression: Kalt-Zehnder-Druck AG, Zoug
ISSN 0255-3104
Abonnement annuel CHF 48.– / étranger CHF 60.–
Numéros isolés CHF 15.– / doubles numéros CHF 25.–
Sous réserve de changement de prix.
A commander sur www.steeldoc.ch
Construire en acier / steeldoc© est la documentation d’architecture du SZS Centre suisse de la construction métallique et p
­ araît
quatre fois par an en allemand et en français. Les membres
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