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Phase avant-projet : Conception de portiques en Profils Reconstitus par soudage SS052a-FR-EU

Phase avant-projet : Conception de portiques en Profils Reconstitus par soudage Ce document fournit des informations sur la conception de portiques constitus de Profils Reconstitus par soudage pour des btiments courants usage industriel ou commercial

Contents

1. Utilisation habituelle de ce mode de construction 2

2. Choix dune solution portique 2

3. Intrt des Profils Reconstitus Souds 3

4. Dimensionnement des sections 4

5. Cas pratiques 5

6. Matriaux, fabrication, transport et montage 7

7. Attaches 8

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1. Utilisation habituelle de ce mode de construction Les portiques constituent bien souvent lossature principale des btiments industriels et commerciaux, des entrepts, des halls de gare et parfois des installations sportives ncessitant de raliser des volumes importants.

Pour ces btiments lgers ou moyennement lourds , lacier se prsente comme un principe constructif simple et conomique tout en autorisant des choix architecturaux audacieux.

On peut galement utiliser les portiques pour stabiliser les btiments plus consquents relevant de lindustrie lourde, et notamment dans les halls daciries et les centrales de production dlectricit.

2. Choix dune solution portique Un certain nombre de paramtres influent sur la conception des portiques. Les concepteurs peuvent utiliser des produits lamins, des lments reconstitus souds (PRS), des structures treillis, ou des structures combinant ces types dlments.

Parmi ces paramtres, les plus importants sont :

la porte entre poteaux la grandeur et le type de charges appliques (statique, dynamique dans le cas par exemple

de ponts roulants etc.)

laspect architectural la hauteur disponible sous jarrets le cot relatif dune solution par rapport une autre En rgle gnrale, on retiendra que les portiques PRS trouvent tout leur intrt dans le cas :

de solutions constructives trs standardises o la rduction du poids dacier et les conomies lies une production en srie permettent de compenser le surcot de fabrication. Des systmes constructifs optimiss pour des solutions courantes, font ainsi lobjet dune comptition acharne.

de grandes portes o le recours aux profils lamins nest pas conomique et pour lesquelles le choix de traverses treillis nest pas souhaitable en raison de leur grande hauteur par exemple.

de sollicitations importantes, o le choix de profils lamins est, soit exclu en raison de limportance des charges appliques, soit rdhibitoire car il conduirait un espacement entre portiques rduit.

Des solutions mixtes existent et lon peut citer les cas courants de :

poteaux PRS avec traverses treillis dans le cas de grandes portes

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poteaux PRS avec traverses en profils lamins pour les halls industriels de faibles portes o des ponts roulants manutentionnent des charges lourdes

Photo: Jean-Pierre Muzeau Copyright APK

Figure 2.1 Vue gnrale dun btiment en construction et constitu de portiques en PRS

3. Intrt des Profils Reconstitus Souds 3.1 PRS versus Profils Lamins Par rapport aux profils lamins classiques, les lments PRS permettent pour les moyennes portes dallger les sections en les ajustant strictement aux sollicitations. Ceci nest videmment pas possible avec les gammes de profils lamins.

Ainsi, il peut tre envisag, tout en conservant un gabarit extrieur identique, de rduire la section dme dans les zones de faible effort tranchant, ainsi que de rduire les paisseurs de semelles dans les zones de moments de flexion rduits. Il en rsulte une rduction de poids significative au dtriment cependant doprations de raboutage des lments dme et de semelles dpaisseurs diffrentes.

Lutilisation des sections PRS ou en treillis devient par ailleurs incontournable dans le cas de portes importantes et de charges lourdes pour lesquelles les profils lamins du commerce sont inadapts.

3.2 Profils reconstitus souds versus Poutres treillis Par rapport aux poutres en treillis, lutilisation des PRS est plus esthtique. Ils permettent de rduire la hauteur, conduisant de ce fait une rduction du volume du btiment. Par ailleurs la

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rduction du nombre dassemblages raliser et leur simplicit permet, pour des portes moyennes, dtre en gnral plus conomiques.

A contrario, la solution treillis permet un passage plus facile des conduites et canalisations du fait de la hauteur disponible.

3.3 Choix entre lments inertie constante ou variable Nous distinguerons deux types dlments PRS :

Les lments PRS gabarit constant, dpaisseurs ventuellement variables. Lpaisseur peut gnralement varier mais les changements dpaisseurs peuvent tre limits aux zones dassemblages ncessitant des renforcements.

Les lments PRS hauteur et parfois largeur variables. Dautres types de sections sont galement envisageables parmi lesquelles les profils semelles dissymtriques o la semelle comprime est largie de manire amliorer sa stabilit au dversement. Il faut cependant souligner que les sections dissymtriques et les sections largeurs variables ncessitent des quipements spciaux pour raliser une fabrication avec une productivit satisfaisante.

Les cas des sections dissymtriques ou largeurs variables ne sont pas traits dans ce document.

4. Dimensionnement des sections 4.1 Gnralits Le dimensionnement des sections est principalement li aux moments de flexion dtermins lissue dun calcul lastique linaire.

De faon optimiser les sections, on choisit les profils PRS dont les caractristiques dinertie permettent de suivre au mieux les variations du diagramme du moment de flexion ce qui peut se faire dans les zones de moments de flexion importants:

soit en augmentant la hauteur dme soit en augmentant lpaisseur des semelles soit une combinaison de ces deux possibilits. Pour les sections soumises des sollicitations statiques, il est dusage de prdimensionner les sections en considrant que :

- les semelles rsistent au moment de flexion - lme rsiste leffort tranchant.

4.2 Dimensions / proportions des sections Sans discuter de laspect architectural et esthtique, il est judicieux de concevoir les poutres PRS de hauteur plus importante que les sections lamines, de manire minimiser les sections des semelles pour rsister un moment de flexion connu.

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De mme, pour une section de semelle requise, il est intressant de considrer les semelles les plus larges possibles de manire rsister de manire optimale au dversement.

Lme rsiste essentiellement leffort tranchant et sa hauteur est choisie la plus grande possible pour minimiser le dimensionnement des semelles pour un moment de flexion donn. Enfin pour une section donne, lpaisseur dme sera choisie aussi mince que le permet la rsistance rduite au cisaillement compte tenu du phnomne de voilement.

Tout le problme pour dimensionner de manire optimale des lments PRS consiste alors trouver le meilleur compromis entre les dimensions extrieures des sections (hauteur largeur) et llancement des parois constitutives, tout en considrant les phnomnes dinstabilit densemble (matriss le plus souvent par des dispositions constructives adquates) ou locaux (raidissages ncessaires au droit de charges localises importantes etc.)

4.3 Classement des sections Lexprience a montr que le dimensionnement le plus conomique des portiques en PRS est obtenu en utilisant la thorie lastique, sans prendre en compte de redistribution plastique, et sans mme se rfrer la rsistance plastique. Les critres suivants sont utiliss :

on choisit les semelles de classe 3 pour lesquelles les semelles comprimes sont supposes atteindre la limite lastique

on choisit les mes de classe 4 de manire allger le poids de la structure. Le cisaillement est habituellement faible et peut tre repris par une telle section dans le domaine postcritique. Les charges localises ncessitent une attention particulire; mais les raidisseurs dme seront si possible vits, quoique pour des charges localises importantes, ils puissent tre ncessaires.

4.4 Instabilits propres lies aux sections PRS Si les sections PRS permettent dallger de manire significative le poids des structures, il importe de noter que le rapport des inerties Iy / Iz selon les deux axes principaux est nettement plus important que dans le cas de profils lamins classiques. Ce type de section est donc plus sensible aux phnomnes dinstabilit hors plan. Ce fait influe sur la conception gnrale.

Par exemple, il peut tre ncessaire de maintenir le dversement dune semelle comprime au droit de chaque panne, et non pas au droit dune panne sur deux comme il aurait pu tre ncessaire en ayant recours des profils lamins classiques.

5. Cas pratiques 5.1 Proportions courantes Pour aider au prdimensionnement, on peut considrer les proportions suivantes :

La hauteur courante h des lments PRS est de lordre de L/30 pour la traverse (o L reprsente la porte) o H/10 pour les poteaux (o H reprsente la hauteur du poteau).

La largeur b des semelles est habituellement proportionnelle la hauteur. Soit :

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h/5 b h/2 Lpaisseur dme se situe entre h/150 et h/100, les plus fortes paisseurs tant notamment utilises dans la hauteur de lencastrement poutre poteau (jarret) o laccroissement deffort tranchant est li la variation importante du moment de flexion.

A noter que des lancements dme plus importants peuvent galement tre rencontrs, mais ncessitent une analyse plus approfondie des phnomnes dinstabilit, une fabrication plus soigne, et certaines prcautions lors des phases de manutention levage de ces pices parois lances.

Exemple dun cas courant:

Ainsi les dimensions classiques des lments dun portique de 25 m de porte pourraient tre les suivantes :

Porte: L = 25 m Hauteur dme: h = 800 mm Epaisseur dme: 6 mm en partie courante et 8 mm au jarret.

Largeur de semelle: b = 200 mm

Epaisseur de semelle: 10 mm

La gorge des cordons de soudure de liaison me semelle est de lordre de 3 4 mm.

5.2 Ordres de grandeur Pour se fixer les ides, on peut considrer les dimensions limites suivantes :

Tableau 5.1 Largeur maximale en mm pour une semelle de Classe 3, en fonction de son paisseur et de sa nuance dacier

Largeur maximale en fonction de la nuance dacier Epaisseur (mm)

S235 S275 S355 S460

8 225 205 180 160

10 280 255 225 200

12 335 310 270 240

15 420 380 340 300

18 500 460 410 360

20 560 510 450 400

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Tableau 5.2 Hauteur dme en mm en fonction de lpaisseur et de llancement

Hauteur dme (mm) en fonction du rapport hauteur/paisseur

Epaisseur (mm) hw / tw = 100 (*) hw / tw = 120 (**) hw / tw = 140 hw / tw = 160

6 600 720 840 960

8 800 960 1120 1280

10 1000 1200 1400 1600

12 1200 1440 1680 1920

(*) Llancement limite en flexion des mes de classe 3 pour fy = 355 N/mm est hw / tw = 100.4 (**) Llancement limite en flexion des mes de classe 3 pour fy = 235 N/mm est hw / tw = 124

6. Matriaux, fabrication, transport et montage 6.1 Nuance dacier Le choix des nuances dacier dpend de multiples paramtres et notamment des charges appliques et des critres de dformation.

De manire gnrale :

lorsque le critre de dformation est svre (par exemple limitation du dplacement horizontal en tte de poteau pour le bon fonctionnement de ponts roulants par exemple), il est ncessaire de privilgier une inertie importante, ce qui, avantage lacier S235 ou S275 par rapport au S355

dans le cas de charges lourdes, sans condition restrictive particulire sur les dformations, et lorsque la conception est telle que les phnomnes dinstabilit sont maitriss, il est judicieux de choisir la nuance S355.

Il peut tre galement judicieux de raliser des sections hybrides mlangeant les deux nuances de manire optimiser le prix.

On peut ainsi envisager des sections PRS avec :

les semelles en S355 lme en S235 ou S275

6.2 Fabrication des sections La fabrication de PRS ncessite lachat de plats de largeurs standardises, coups la largeur requise chez des grossistes spcialiss, ou de couper en ateliers (oxycoupage dcoupe laser ) ces plats dans des tles de plus grandes dimensions en cherchant minimiser les chutes.

En fait tout dpend des moyens de production des ateliers et du diffrentiel de prix entre lachat de plats aux dimensions finies requises ou la dcoupe de ces plats partir de tles, ncessitant des oprations de manutention supplmentaires.

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Profils droits

Les PRS classiques sont constitus dune me et de deux semelles habituellement identiques de manire obtenir un profil doublement symtrique.

Chaque semelle est soude sur lme au moyen de 2 cordons dangles dimensionns pour reprendre leffort rasant.

Cette opration est habituellement ralise en trois tapes :

lme tant dispose plat, on prsente de part et dautre les deux semelles et on dpose un cordon dangle continu

on retourne la pice on dpose les 2 autres cordons dangle Dans le cas de sollicitations statiques, il est possible dattacher la semelle et lme par un seul cordon dangle continu en partie courante, hors des attaches et des zones defforts tranchants importants. Prs des attaches et lorsque les contraintes de cisaillement le ncessitent, la section est retourne et des cordons dangle symtriques sont raliss.

Le cordon dun seul ct est proscrire dans le cas de sollicitations dynamiques.

Profils rayon de courbure ou avec changement dorientation. Pour les lments inertie variable o dont une semelle est cintre, le changement de direction de cette semelle engendre une composante de traction ou de compression la jonction me semelle. Il importe den tenir compte pour dimensionner ces cordons dangle, ou de rajouter si ncessaire des raidisseurs.

6.3 Manutention en atelier, lors du transport ou du montage Pour les lments trs lancs et de grande porte, il importe dexaminer avec soin les conditions de transport et de manutention. Il est particulirement important dviter que llment ne vrille sous son poids propre au cours de ces oprations de levage; ce qui occasionnerait sa ruine par flambement par flexion et torsion autour de son axe faible dinertie.

7. Attaches 7.1 Jarrets et assemblages au fatage Les jarrets et assemblages au fatage constituent des dtails importants dont la conception doit tre regarde avec soin. Ils sont gnralement raliss par platines dabout et boulons en traction.

Dans le cas de portiques PRS, laccroissement de rsistance et de raideur lencastrement de la traverse sur poteau peut tre obtenu facilement en augmentant la hauteur de la section de jonction sur poteau, tout en augmentant lpaisseur dme dans cette zone de cisaillement important comme indiqu la Figure 7.1 et la Figure 7.2. On peut ainsi supprimer ou

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minimiser les raidisseurs. Au contraire les profils lamins auraient ncessit dajouter un jarret et ventuellement des raidisseurs dme.

La conception avec PRS permet ainsi de rpondre de manire esthtique et conomique ces points de conception particuliers.

Figure 7.1 Schma dun jarret de portique

7.2 Attaches de continuit Pour les grandes portes et les constructions lourdes, pour ne pas avoir recours aux transports exceptionnels toujours coteux et contraignants en termes dautorisations spciales, il est souvent ncessaire de scinder les traverses ou les poteaux en plusieurs lments dont lassemblage de continuit est ralis sur site.

Il peut tre avantageux, lors de la fabrication des poteaux en atelier, de prolonger le poteau par un moignon de traverse de manire dporter lassemblage de continuit dans une zone de moindre sollicitation. Aussi faible que puisse tre le moment de flexion, lattache doit cependant tre suffisamment rigide de manire ne pas mettre en dfaut les hypothses prises en compte lors du calcul lastique densemble.

Par contre, selon la dimension du moignon, cette conception peut savrer rdhibitoire vis--vis des conditions de transport.

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Photo: Jean-Pierre Muzeau Copyright APK

Figure 7.2 Liaison Poteau-traverse

7.3 Pieds de poteaux Les pieds de poteaux constituent galement des points de conception importants.

Il parat utile de rappeler que le dimensionnement densemble et le comportement des portiques vis--vis des dformations horizontales notamment sont largement fonctions des conditions dencastrement des pieds de poteaux sur leurs fondations.

De manire gnrale :

la solution portique avec pieds de poteaux encastrs permet de raliser des conomies substantielles sur le dimensionnement acier , tout en minimisant les dformations horizontales. Cette solution pourra ainsi tre prconise pour les structures portiques supportant des ponts roulants o les conditions sur les dformations sont svres.

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Cette solution savre galement adapte dans le cas de structures supportant des charges lourdes, ou dans le cas de sollicitations sismiques importantes ou de vents cycloniques. Elle permet de limiter les dimensions des poteaux.

Cependant, cette solution ncessite de raliser des fondations de plus grandes dimensions, de telle sorte quelles ne puissent pas tourner sous leffet du moment de renversement. La fixation des poteaux ncessite des ancrages de dimensions importantes et bien souvent un raidissage consquent du pied de poteau comme indiqu la Figure 7.3.

Figure 7.3 Pied de Poteau encastr

La solution portique avec pieds de poteaux articuls est plus couramment utilise, surtout dans le cas de charpente lgre ou moyenne. La Figure 7.4, la Figure 7.5 et la Figure 7.6 prsentent plusieurs solutions selon diffrentes pratiques nationales.

15 - 20 mm

(ii)(i)

Figure 7.4 Pied de poteau "articul": (i) Poteau de hauteur constante; (ii) Poteau de section

variable. Bien que lon puisse les considrer encastrs thoriquement, ce qui permet de les scuriser pendant leur montage, ces conceptions ont montr par exprience quelles pouvaient tre considres comme articules en pratique.

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2

3

4 5

Lgende 1: Raidisseur dme 2: Grain 3: Bote grain 4: Bche 5: Tige dancrage

Figure 7.5 Pied de Poteau articul sur grain dappui

300 mm

Figure 7.6 Pied de Poteau articul avec attache excentre de manire rduire la porte de la

structure et crer un moment de flexion dexcentrement, bnfique pour le poteau

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Enregistrement de la qualit TITRE DE LA RESSOURCE Phase avant-projet : Conception de portiques en Profils

Reconstitus par soudage

Rfrence(s)

DOCUMENT ORIGINAL

Nom Socit Date

Cr par J.-C. Delongueville CTICM 28/04/2006

Contenu technique vrifi par P. Le Chaffotec CTICM 28/04/2008

Contenu ditorial vrifi par

Contenu technique approuv par les partenaires :

1. Royaume-Uni G W Owens SCI 30/8/06

2. France A Bureau CTICM 30/8/06

3. Sude B Uppfeldt SBI 30/8/06

4. Allemagne C Mller RWTH 30/8/06

5. Espagne J Chica Labein 30/8/06

Ressource approuve par le Coordonnateur technique

G W Owens SCI 29/1/08

TRANSLATED DOCUMENT

Traduction ralise et vrifie par : J.-C. Delongueville CTICM 22/11/06

Ressource traduite approuve par : A. Bureau CTICM 22/11/06

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1. Utilisation habituelle de ce mode de construction2. Choix dune solution portiqueFigure2.1 Vue gnrale dun btiment en construction et constitu de portiques en PRS

3. Intrt des Profils Reconstitus Souds3.1 PRS versus Profils Lamins3.2 Profils reconstitus souds versus Poutres treillis3.3 Choix entre lments inertie constante ou variable

4. Dimensionnement des sections4.1 Gnralits4.2 Dimensions / proportions des sections4.3 Classement des sections4.4 Instabilits propres lies aux sections PRS

5. Cas pratiques5.1 Proportions courantes5.2 Ordres de grandeurTableau5.1 Largeur maximale en mm pour une semelle de Classe 3, en fonction de son paisseur et de sa nuance dacierTableau5.2 Hauteur dme en mm en fonction de lpaisseur et de llancement

6. Matriaux, fabrication, transport et montage6.1 Nuance dacier6.2 Fabrication des sections6.3 Manutention en atelier, lors du transport ou du montage

7. Attaches7.1 Jarrets et assemblages au fatageFigure7.1 Schma dun jarret de portique

7.2 Attaches de continuitFigure7.2 Liaison Poteau-traverse

7.3 Pieds de poteauxFigure7.3 Pied de Poteau encastr Figure7.4 Pied de poteau "articul": (i) Poteau de hauteur constante; (ii) Poteau de section variable. Bien que lon puisse les considrer encastrs thoriquement, ce qui permet de les scuriser pendant leur montage, ces conceptions ont montr par exprience quelles pouvaient tre considres comme articules en pratique.Figure7.5 Pied de Poteau articul sur grain dappuiFigure7.6 Pied de Poteau articul avec attache excentre de manire rduire la porte de la structure et crer un moment de flexion dexcentrement, bnfique pour le poteau

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