Rapport de synthèse. Conception et dimensionnement d une structure porteuse en acier pour l extension du tennis du mail à Neuchâtel

Conception et dimensionnement d’une structure porteuse en acier pour l’extension du tennis du mail à Neuchâtel

Rapport de synthèse

Etudiant : F.giotto Professeur : A. Flückiger

Yverdon-les-bains, le 28 juillet 2017

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Table des matières

Introduction ... 3

Conception ... 4

Prédimensionnement ... Erreur ! Signet non défini. Définition des actions ... 4

Variante n°1 : Treillis arqué ... 4

Variante n°2 : Cadre avec traverse à sous-tirant ... 6

Variante n°3 : Cadres haubanés ... 7

Choix de la variante retenue ... 9

Optimisation et étoffement du concept pour la variante retenue ... 10

Dimensionnement ... 13

Pannes ... 13

Treillis ... 13

Colonnes pignon ... 15

Contreventements... 15

Assemblages et détails constructifs ... 16

Fixation des entretoises aux membrures de cadre ... 16

Liaison entre les pannes et la membrure supérieure des cadres en ROR (détail 1) ... 16

Liaison entre les pannes et les cornières de contreventement (détail 1) ... 16

Liaison entre les cadres et les socles de fondations ... 17

Remarques techniques générales, difficultés rencontrées ... 17

Conclusion ... 19

Table des illustrations ... 20

Sources : ... 21

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Introduction

L’objectif de ce projet est de conceptualiser, pré dimensionner et dimensionner dans le détail une halle en structure métallique permettant de couvrir deux courts de tennis. La structure en question est située à Neuchâtel, il s’agit du tennis du mail. Afin de faire face à un manque de tennis couverts dans la région neuchâteloise, la structure sera faite de sorte à offrir une possibilité d’extension avenir.

Cette étude est basée sur certains critères dont les principaux sont l’aspect économique, la faisabilité ainsi que la volonté de conceptualiser une structure dont les aspects esthétiques et techniques sont un peu plus élaborés que ce qui a été vu durant nos études.

Afin de répondre au cahier des charges, différentes étapes sont réalisées dans un ordre précis, à savoir :

- La confection d’un certain nombre de variantes en s’inspirant d’une recherche bibliographique, des normes, de nos connaissances acquises aux cours et de nouvelles notions découvertes par notre propre recherche

- Le choix de trois variantes à développer et à approfondir - La conception et le pré dimensionnement de ces trois variantes

- Le choix d’une variante qui remplit au mieux les critères de cette étude

- Le dimensionnement de la variante retenue selon les normes SIA avec une étude précise des détails constructifs et assemblages

- La confection de plans décrivant le résultat de la structure et les divers choix faits tout au long du processus

La structure en question mesure 33.0 mètres de large pour une portée de 36.3m. Des plans aux formats dwg sont mis à disposition par 2M ingénieurs civils à Yverdon-les-Bains et comportent les véritables gabarits définis pour cette construction. Bon nombre d’hypothèses seront établies, testées, puis changées ou adaptées selon les essais et divers calculs.

Figure 1: Terrains à couvrir

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Conception

L’idée de base est de bâtir l’ossature métallique de la halle selon les principes de construction observés durant nos études, notamment à partir de cadres hyperstatiques sur lesquels reposent des pannes, viennent ensuite d’autres éléments porteurs ou nécessaires à la reprise du vent (colonnes pignon, filières, cornières de contreventement, etc). De ce fait, différents concepts de cadre hyperstatiques ont été mis en avant pour cette première phase du projet. L’idée de tester plusieurs formes de cadre permet de déduire par la suite, de manière approximative, les propriétés des éléments secondaires (pannes, filières, colonnes pignons, cornières de contreventement, etc.) à savoir leur dimensions et espacements, la manière dont les assemblages et différents détails constructifs seront entrepris ou l’estimation des variations de coût d’un modèle à l’autre. Les croquis relatifs à ces premières idées de conception se trouvent au chapitre n°1. Cinq variantes de cadres représentent le début de la réflexion.

Parmi ces cinq variantes, trois ont été choisies pour être approfondie et pré dimensionnées.

Il sera intéressant de constater que la notion de l’arc apparaît régulièrement dans les différentes conceptions car elle permet de mieux s’adapter aux gabarits de jeu qui ne se résume pas en un rectangle, comme pour la plupart des constructions. Il est intéressant d’observer, après quelques recherches sur les halles de tennis, que bon nombre d’entre elles sont arquées.

Pré dimensionnement

La définition des actions se résume en la détermination des actions de neige, de vent et des charges permanentes selon la norme SIA n°261. Pour ce faire, diverses hypothèses ont été admises. La neige est calculée à partir d’une altitude de référence définie à 450 mètres. Le vent est déterminé selon une catégorie de terrain lll, soit un milieu rural, ce qui n’est pas exactement le cas mais qui correspond le mieux à l’endroit en question qui n’est pas très exposé. Le poids de la structure est estimé à 0.8 kN/m² (structure de grande portée) et le poids du toit à 0.5 kN/m² (toiture légère).

Variante n°1 : Treillis arqué

Cette variante définit un cadre en treillis, constitué de membrures et de montants de préférence en tubes ronds, creux et droits, soudés entre eux à chaque nœud. L’ensemble du treillis décrit un arc (à rayons variables), mais les éléments qui le constituent sont quant à eux rectilignes. La variation des rayons de l’arc ont pour but d’adapter la structure au gabarit de jeu. Le choix d’arquer la construction a été fait premièrement pour des raisons esthétiques, ainsi que pour s’adapter à l’aspect de la plupart des halles de tennis, dont la forme a tendance à épouser la trajectoire des balles échangées. De plus, l’arc peut présenter certains avantages en matière de stabilité comme par exemple se passer d’un contreventement.

La figure 2 ci-dessous image ce premier choix de variante.

Figure 2: Représentation du treillis arqué et des gabarits

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Force est de constater que cette structure a tendance à empiéter légèrement sur le gabarit intérieur de jeu. Cela est presque une obligation car l’espace entre les gabarits intérieurs est extérieurs est relativement réduit sur les parties latérales. Afin de maintenir l’effet de l’arc et une hauteur statique convenable pour le treillis, il est préférable pour cette variante de mordre, de façon négligeable, sur l’espace de jeu requis.

Le choix du treillis a pour objectif de transformer des efforts de flexion (qui seraient présent sur cadre en profilé laminé) en efforts de compression et de traction dans des membrures constituant un treillis.

Le but ici est de rendre la structure plus légère et plus rigide en utilisant le moins de matière. Cela permet d’une part de diminuer les coûts et d’autre part d’assurer l’aptitude au service grâce à une forte rigidité. La figure n°3 ci-dessous illustre les premiers résultats d’efforts normaux dans les membrures.

Figure 3: Efforts normaux repris par la structure soumise aux charges permanentes et à la neige (valeurs de pré- dimensionnement)

En observant la répartition des efforts de compression (en bleu) et de traction (en jaune), on constate que le treillis agit comme un cadre hyperstatique. Cependant, les efforts de compression sont bien plus marqués sur l’ensemble de la structure. Cela démontre que l’effet de l’arc joue un rôle. Le pré dimensionnement se dirigera donc vers des profilés adaptés à la reprise de gros efforts de compression, soit des profilés ronds et creux.

Les membrures doivent reprendre 1250 kN, pour une longueur de flambage selon l’axe fort d’environ 2.50 mètres (espacement entre deux nœuds). Un ROR 121 x 16 en E355 permet de reprendre cet effort sans flamber.

Toutefois, il est préférable de s’intéresser au déversement de l’ensemble de la structure. En effet, les membrures inférieures et supérieures sont très vulnérables au flambage selon l’axe faible, aux endroits où elles sont fortement comprimées. La membrure supérieure, comprimée en milieu de travée est stabilisée par les pannes. La membrure inférieure, comprimée à 1250 kN, quant à elle n’est pas stabilisée. Des éléments de stabilisation sont donc à prévoir pour cette variante.

En résumé, la variante n°1 peut s’avérer intéressante par son effet « arc » et sa constitution de barres de treillis permettant une diminution de la quantité de matière utilisée. La construction du treillis en usine est cependant plus coûteuse qu’un simple profilé, mais le gain en rigidité de la structure est intéressant.

6 Variante n°2 : Cadre avec traverse à sous-tirant

Cette variante est constituée d’un cadre hyperstatique en profilé laminé, dont la traverse est arquée et renforcée par un sous tirant. Les angles de cadre sont conçus à partir de profilés à section variable (HEA) ayant pour but d’augmenter la hauteur statique là où les moments de flexion sont au maximum.

Figure 4: Représentation de la poutre à sous-tirant et des gabarits

Le sous-tirant, fortement sollicité en traction, permet de faire travailler la traverse en compression, il permet également d’augmenter sa hauteur statique. Par contre, il est à noter que ce sous-tirant n’est pas au sommet de son efficacité. Il l’aurait été dans le cas où il était relié aux bords de la traverse, mais cela nécessite une augmentation de la hauteur des colonnes et donc de toute la structure, ce qui a pour conséquence d’augmenter le volume inutile à chauffer. Néanmoins, les figurent 5 et 6 démontrent l’effet du sous-tirant sur les efforts.

Figure 5 : Efforts de flexion repris par la structure soumise aux charges permanentes et à la neige (valeurs de pré- dimensionnement)

Figure 6 : Efforts de normaux repris par la structure soumise aux charges permanentes et à la neige (valeurs de pré- dimensionnement)

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Les efforts de flexion en milieu de travée sont réduits à 480 kNm. Ils sont « convertis » en compression dans la traverse et en traction dans le sous-tirant.

Le pré dimensionnement de cette variante s’est fait en choisissant premièrement une hauteur de profilé convenable pour les angles de cadres afin de reprendre des moments de flexion importants.

Dans un second temps, le choix d’un type de câbles en acier permet de pré-dimensionner le sous-tirant soumis à la traction.

Concernant la traverse, la détermination d’un profilé dépendra de la résistance du profilé à l’interaction d’efforts M + N, selon la formule 5.1.9.1 de la norme SIA 263, qui inclut la résistance au flambage de l’élément. En effet, le flambage selon l’axe faible étant stabilisé par les pannes, il n’en est pas de même pour le flambage selon l’axe fort, dont la longueur Lk varie entre 0.5L (flambage d’un arc) et L (flambage d’une poutre sur 2 appuis). Cette longueur, estimée à 0.8 L, vaut 15 mètres.

En résumé, cette variante est probablement plus économique que la variante 1, mais présente une moins bonne rigidité. Elle serait davantage économique si l’on se passait du sous-tirant, mais les effets de ce dernier ne sont probablement pas négligeables sur l’aptitude au service de la structure.

Variante n°3 : Cadres haubanés

Les cadres haubanés sont créés à partir d’une traverse continue qui s’étend au-delà des piles. Soutenue par les haubans, il est possible de réduire de manière considérable la taille du profilé de cette traverse, les haubans agissant comme des appuis (à ressort). Les piles de haubans sont mises en places de manière à créer une rotule à leur interaction avec la traverse. De ce fait, lesdites piles ne seront sollicitées qu’en compression, et non en flexion + compression. Les haubans relient l’extrémité des piles et la traverse. Ils sont fixé le plus près possible des pannes afin que ces dernière puissent reprendre la compression créée par la traction des haubans. Un premier tirant relie le sommet des piles et l’extrémité de la traverse, le deuxième relie l’extrémité de la traverse et le sol.

Figure 7 : Représentation du cadre haubané et des gabarits

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Il est à noter qu’une pile et ses deux tirants devront équilibrer trois cadres (figure 8) et non un seul, la figure 7 est trompeuse.

Figure 8 : Représentation des cadres haubanés (vue en plan)

Les efforts vont donc se multiplier sur les piles, les tirants, et sur la traverse centrale.

Le pré dimensionnement relatif aux cadres haubané est séparé en plusieurs étapes. La première consiste à définir un système actif, qui correspond à la mise en tension de la structure, soumise aux charges permanentes. Ce système, qui remplace les haubans par des appuis fixes, permet justement à partir des réactions obtenues, de définir les efforts que les câbles reprennent. Les efforts obtenus dans les câbles sont dans ce cas présent multipliés par trois, lors du pré dimensionnement des piles, des tirants et de la traverse centrale.

La deuxième étape définit le système passif qui comporte les actions de neige. Cette fois la structure est au complet (pas d’appuis pour remplacer les câbles) et les efforts issus de ce système sont additionnés avec ceux du système actif. Egalement pour le système passif, les efforts de traction des câbles sont multipliés par trois lors du pré dimensionnement des piles, des tirants et de la traverse centrale.

La figure 9 illustre la répartition des efforts dans la structure, qui inclut également la tension des haubans sortants de la coupe.

Figure 9 : Efforts normaux issus du système passif comprenant les haubans hors coupe

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Figure 10 : Efforts de flexion issus du système passif comprenant les haubans hors coupe

Pour le pré dimensionnement, la traverse qui interagit avec les piles doit résister au flambage dans le plan (le flambage hors plan étant stabilisé par les pannes) car les efforts de compression observés sont relativement importants. La longueur de flambage Lk, est cependant difficile à estimer. Les haubans constituent des pseudo-stabilisations mais dans une seule direction. Ils empêchent la poutre de flamber contre le bas, mais pas contre le haut. En supposant que la poutre ne peut pas flamber contre le haut (à causes des actions verticales), il est possible de réduire la longueur de flambage. Pour les calculs de pré dimensionnement, elle a été estimée à 15 mètres.

Les piles doivent résister au flambage, et les câbles sont définis de manière à supporter la traction calculée. Pour des raisons de difficulté à modéliser l’ensemble des systèmes actifs et passifs, la somme des efforts agissant sur cette structure a été calculée à la main.

En résumé, cette variante est intéressante car elle permet de réduire les profilés des traverses, surtout pour les cadres qui n’interagissent pas avec les piles et les tirants. Le gain économique pour ces éléments est intéressant. Il l’est cependant moins pour la mise en place de la structure haubanée.

Choix de la variante retenue

Pour le choix de la variante à retenir les critères pris en compte sont les aspects économiques, techniques, esthétiques et la faisabilité. Pour un projet académique comme celui-ci, les critères techniques et esthétiques paraissent comme étant ceux qui ont le plus de poids. Les aspects économiques et de faisabilité prennent plutôt de l’importance dans des projets concrets.

D’un point de vue technique, la variante n°2 (poutre à sous-tirant) paraît plutôt simple par rapport aux deux autres. Tandis que la variante n°3 (cadres haubanés) paraît relativement difficile face aux nombreuses notions à maîtriser pour mener à bien les réflexions d’un système haubané. La variante n°1 (treillis arqué) est techniquement plus élaborée mais reste plus accessible que les haubans. Son esthétique est également un peu plus poussée par l’effet visuel de l’arc. Présentant un bon compromis, cette variante n° 1 sera donc retenue pour la suite. Evidemment, les aspects économiques et de faisabilité, bien qu’ils n’aient été prépondérants lors du choix de la variante, sont pris en compte pour la suite.

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Optimisation et étoffement du concept pour la variante retenue

Après choisi la variante retenue, quelques modifications sont appliquées au concept de base, afin d’optimiser la structure.

- Léger changement de la forme du treillis et de l’espacement entre les nœuds

Figure 11 : Forme finale du treillis arqué

Après plusieurs essais de dessin et de modélisation à l’aide du logiciel CUBUS, l’aspect du cadre en treillis varie légèrement. La structure finale prend une forme relativement similaire à celle utilisée lors du pré dimensionnement avec une augmentation de la hauteur statique aux « angles » du cadres, là où les efforts sont les plus élevés.

La membrure inférieure est désormais arquée et continue, alors que la conception de départ prévoyait des éléments droits séparés. De ce fait, le nombre de soudure est considérablement réduit car seuls les montants devront être soudés sur la membrure. Le choix de concevoir une membrure arquée oblige à choisir un profilé bien plus important, car l’effet de la compression sur l’arc crée des moments de flexion à reprendre, en interaction avec l’effort de compression. Il est cependant très bénéfique d’avoir un profilé plus important dans le cas présent, car comme mentionné au pré dimensionnement, la membrure est susceptible de flamber selon l’axe faible. Un profilé plus gros diminuera donc le nombre de stabilisations à prévoir.

Les espacements entre nœuds ont été très légèrement modifiés, de sorte à pouvoir relier les pannes, les colonnes pignon et les filières à des nœuds de treillis afin d’obtenir des espacements raisonnables entre ces éléments.

- Redéfinition des actions

Les pressions dynamiques dues au vent ont été redéfinies de manière plus précise que lors du pré dimensionnement. Le fait que le vent souffle sur une structure en arc provoque énormément de sussions, selon le tableau n°66 de la norme SIA 261. La pression qui s’exerce sur la structure est donc très faible, elle permet de se passer d’un contreventement lorsque le vent souffle sur la façade long- pan. Le contreventement est cependant nécessaire lorsque le vent souffle sur la façade pignon.

Les actions due à la neige ont du être analysées selon le modèle des charge n°2 de la norme (figure 3, SIA 261) qui s’avère déterminant pour une structure en arc. Il s’agit d’une répartition de neige non uniforme, qui est provoquée par le transport de la neige par le vent. L’accumulation neige qui en résulte peut devenir très importante à un endroit précis de la toiture. L’estimation de cette quantité pouvant s’accumuler s’est faite sur la base figure 3 de la norme, qui définit le coefficient à utiliser pour la neige en fonction des différentes formes de toitures.

11 - Ajout d’entretoises stabilisantes sur les cadres

La membrure inférieure du treillis, fortement comprimée, doit être stabilisée au flambage hors plan (selon la coupe de la figure 11). Des entretoises pouvant la relier aux pannes sont nécessaires, elles permettent de réduire la longueur de flambage Lk et de maintenir une taille de profilé raisonnable pour la membrure. D’autres entretoises sont prévues pour transmettre le vent qui souffle sur la façade pignon vers les pannes.

Figure 12: Entretoises de stabilisation au déversement des cadres (image du haut), et de transmission du vent de la façade pignon aux pannes (image du bas)

- Définition des tôles de toiture

La distinction entre les différents éléments de tôles profilées et imagée à la figure 13 ci-dessous.

Il est à noter que le type de tôle prévu (SP 45/150) est un peu faible, et qu’une tôle de type SP 80/277 et d’épaisseur 1 mm est à prévoir.

Figure 13 : Distinction entre les éléments de tôles profilées

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Remarque : L’arc formant la couverture est constitué de deux rayons différents, visibles à la figure 13.

Un grand rayon pour la partie supérieur, un plus petit pour les « angles du cadres ». A l’intersection de ces deux rayons (jonction entre deux éléments de tôle) une très légère cassure de la pente peut être observée selon la figure 14. Cette cassure provient d’une petite erreur de dessin lors de la conception, le changement de rayon de l’arc ne se fait pas exactement au droit d’une panne. Par manque de temps, l’erreur n’a pas été corrigée mais ne pose à priori pas de problème majeur. Cependant, cette correction, qui impliquerait d’ajuster le changement de rayon sur une panne, serait bénéfique pour la division des éléments de cadre, qui jusqu’à maintenant n’a pas été pensée de manière précise puisqu’un montant doit être coupé également. Il aurait été plus convenable que la séparation des éléments de cadre se fasse à un nœud précis (par exemple au niveau d’une panne), sans avoir besoins de couper un montant (figure 15)

Figure 14 : Cassure observée le long de la toiture

Figure 15 : Indication des changements de rayon des cadres

13 - Définition de la couverture

La couverture du toit doit suivre la courbe de la structure. Après quelques informations techniques données par l’entreprise Montana, des panneaux sandwich ne sont pas adaptés pour les toitures courbes. Il est donc nécessaire de faire cintrer les tôles, ce qui augmente le prix de la tôle. Pour ce qui est de l’étanchéité et du pare-vapeur, ce sont des éléments qui se déroulent et qui peuvent donc probablement s’adapter sans problème à la courbure, l’isolation existe également sous forme de rouleaux. On peut en déduire que la toiture est faisable, mais à un prix qui sera plus coûteux.

Dimensionnement

Pour les pannes, le cas le plus déterminant est celui où la neige est prépondérante. Comme vu précédemment, le modèle de charge n°2 de la norme décrit une accumulation de neige à un endroit précis de la toiture. Les pannes soumises à cette accumulation sont donc fortement sollicitées. De plus, la toiture arquée crée de l’inclinaison qui induit de la flexion gauche. La vérification nécessaire est donc celle liée à la résistance en section, qui inclut les efforts de flexion selon l’axe faible et l’axe fort.

Afin de garantir la sécurité structurale ainsi que l’aptitude au service, un HEA 260 en S355 est nécessaire. Les autres pannes, moins sollicitées ou peu inclinées, Pourraient être faites à partir de profilés plus petits (IPE 270, IPE 240). La répartition de la neige n’étant pas exacte et plutôt estimée, il est préférable de maintenir la majeure partie des pannes en HEA 260. Quant aux pannes situées en milieu de travée, certaines d’entre elles seront réduites en IPE 270 afin d’éviter le surdimensionnement.

Treillis

Pour le dimensionnement du treillis, le cas de charge déterminant et celui où la neige est prépondérante et selon le modèle de charge n°1 de la norme, soit une répartition uniforme de la neige.

Les efforts obtenus dans les membrures et les montants sont illustrés aux figurent 12 et 13.

Figure 16 : Efforts normaux dans les membrures du treillis, selon model de charge n°1 de neige

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Figure 17 : Efforts de flexion dans les membrures du treillis, selon model de charge n°1 de neige

Dans un premier temps, le profilé des membrures du treillis est déterminé de sorte à ce qu’il résiste à l’interaction M (53 kNm) + N (1247 kN), soit aux membrures inférieurs des « angles » du cadre. Un ROR 177.8 x 16 valide cette vérification.

Dans un second temps la vérification au flambage hors plan de la membrure inférieure comprimée doit être faite. Les stabilisations pour ce flambage, réalisées à partir des entretoises, permettent de réduire la longueur de flambage Lk, qui correspondait à la base à l’étendue de la compression sur la partie inférieure du cadre (en bleu).

Figure 18 : Points de stabilisation au flambage de la membrure inférieure comprimée

Force est de constater que cette vérification au flambage est déterminante. Pour ce cas-là, un ROR 298.5 x 10 est nécessaire. Afin de réduire le risque que les montants poinçonnent la membrure, un ROR 273 x 16 est privilégié.

Les montants sont dimensionnés au flambage hors plan avec une longueur Lk = L. Un ROR 95 x 10 en E355 suffit, mais le choix se porte plutôt sur du ROR 152.4 x 10 (P235) afin d’améliorer la transition des efforts entre les montants et la membrure.

L’aptitude au service est garantie avec une très bonne marge car la structure présente une forte rigidité.

Une vérification supplémentaire a été faite, celle du flambage de l’ensemble arqué. Pour ce faire, le modèle est simplifié en réduisant le treilis en une seule poutre qui prend la forme du cadre (figure 15).

Les même charges sont appliquées que pour le dimensionnement du treillis, selon le cas de charge où la neige (selon le modèle de charge n°1 de la norme) est déterminante.

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Figure 19: Effort normal dans l'arc, selon cas de charge déterminant

La longueur de flambage Lk a été estimée lors du calcul à 0.7L (L étant la portée de la halle, soit 36 mètres). Après avoir calculé l’inertie de la poutre à treillis et son rayon de giration, on obtient un Nk,Rd largement suffisant. Il est à noter qu’après coup, la longueur de flambage estimée est largement sécuritaire. Elle est en réalité plus proche des 0.5 L, qui correspondent au Lk d’un arc, ou d’une poutre bi-encastrée, ce qui est précisément le cas pour ce cadre.

Colonnes pignon

Les colonnes pignon, comprimées à cause du poids des cadres et fléchies à cause du vent, répondent à la vérification M + N de stabilité pour un cas de charge de vent prépondérant. Un HEA 200 en S235 assure les conditions à l’ELU et l’ELS.

Contreventements

Pour rappel, la structure est auto-contreventée par la stabilité de l’arc lorsque le vent souffle sur la façade long-pan. Un seul contreventement est donc à dimensionner, celui qui reprend le vent soufflant sur la façade pignon. Le vent en question est transmis aux pannes, grâce aux entretoises.

Pour dimensionner le contreventement, l’arc du cadre a été déplié de façon à maintenir les bonnes distances et espacement entre éléments constitutifs du contreventement.

Figure 20 : Conception du système statique de contreventement

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Les charges qui s’appliquent au contreventement sont celles de vent transmises par les pannes, ainsi que les forces de stabilisation au déversement des cadres. Le contreventement est dimensionné à la traction, la diagonale la plus tendue définira le profilé nécessaire qui sera appliqué sur toutes les autres diagonales.

Assemblages et détails constructifs

Fixation des entretoises aux membrures de cadre

Les efforts à transmettre pour cet assemblage sont relativement faibles. En effet, les forces de vents à transmettre ou les force de stabilisation au flambage ne dépassent pas les 15 kN. Un petit gousset d’épaisseur 6 mm et un boulon M12 (SBS 4.6) sont suffisants. Les pinces et divers espacements sont à respectés de manière à offrir la possibilité à l’élément de fonctionner en traction, selon ce qui est prévu au dimensionnement des entretoises.

Liaison entre les pannes et la membrure supérieure des cadres en ROR (détail 1)

L’objectif de cet assemblage est de définir une pièce permettant la liaison entre un HEA et un tube tout en assurant la transition des efforts. Pour ce faire, des profilés rectangulaires creux sont découpés et utilisés comme une sorte gousset ou plaque de liaison dont la partie plane accueillera l’HEA et dont les parois seront soudées au tube. L’idée d’utiliser des profilés existants permet un gain économique intéressant, sans devoir fabriquer des pièces spéciales fabriquée spécialement pour l’assemblage. Le choix de départ se portait sur des profilés en U (UNP, etc.), mais l’épaisseur de l’âme étant trop faible, il est préférable d’utiliser des RRW (profilé rectangulaires creux) et de les découper de manière à en tirer des U. La pièce est ensuite positionnée de sorte à ce que l’effort à reprendre (effort tranchant) soit repris par les parois du profilé. Les boulons sont donc dimensionnés au cisaillement, la compression provenant des pannes étant transmise par contact.

Ce même principe d’assemblage sera utilisé pour relier les colonnes pignon à la membrure inférieure des cadres.

Liaison entre les pannes et les cornières de contreventement (détail 1)

Cet assemblage a pour but de reprendre une forte traction, il est donc dimensionné selon la page 98 de la table C05. La section nette dans le gousset et vérifiée. Le gousset, généralement soudé de manière à constituer une continuité de l’aile, est dans ce cas présent soudé plutôt à la verticale contre l’âme du HEA de sorte à reprendre, en plus de l’effort de traction, la composante verticale due à une légère inclinaison des cornières. La figure 18 illustre cette réflexion.

Figure 21 : Assemblage de contreventement

17 Liaison entre les cadres et les socles de fondations

La liaison entre les pieds de cadre et le socle de fondation est assurée par une plaque soudée aux membrures qui repose sur une deuxième plaque pré-scellée dans le béton. Des tiges filetées ancrées dans le béton assurent la transition des efforts tranchants et éventuels efforts de traction suivants les cas de charge. La transition des efforts de compression de l’acier au béton a été vérifiée. Le volume du socle a été défini de sorte à être suffisamment lourd lorsque le cas de charge de vent prépondérant provoque le soulèvement de la structure (effet de sussions très marqué pour une structure arquée avec une toiture légère).

Les tiges filetées ont été dimensionnées de sorte à pouvoir reprendre l’effort tranchant. Cela dit, la question pourrait se poser de savoir si cet effort transite correctement ou pas dans le béton. Par manque d’informations trouvées sur ce type de vérifications, il a été conclu que la profondeur des tiges était suffisante pour permettre une bonne transition de l’effort. De plus, la compression qui est plutôt importante a pour effet d’augmenter considérablement la force de frottement à contrer pour que la plaque se mette à glisser.

Remarques techniques générales, difficultés rencontrées

- Une petite incohérence persiste dans l’assemblage de contreventement. Le LNP 100 x 10 calculé est boulonné sur un gousset dont l’épaisseur vaut 16 mm, selon la vérification de la section nette. On peut se poser la question de savoir si le LNP, épais de 10 mm, résistera. La réponse probable est que la répartition de l’effort est différente dans le LNP par rapport au gousset et que la seconde aile du LNP participe à la reprise de cet effort. Si tel n’est pas le cas, il y a toujours la possibilité d’allonger le gousset de quelques centimètres pour y ajouter un troisième boulon (l’assemblage actuel étant sur deux boulons), ou d’entreprendre des mesures de renforcement du profilé.

- Remarque sur le respect des gabarits de construction : il est a noté que les gabarits de constructions n’ont pas forcément été respecté de manière stricte et que de légers débordements sont présents. Selon les indications de départ par notre professeur, il est possible de déroger raisonnablement à ce critère, qui n’est pas le plus important dans un projet académique comme celui-ci.

- Les cadres latéraux représentant les façades pignon auraient pu être conçus à partir de profilés plus petits et moins lourds. Ils ont cependant été maintenus avec les mêmes dimensions que les autres, en prévoyance d’une éventuelle extension.

- Négligé dans les calculs : les poids propre des façades n’a pas été pris en compte pour les calcul des filières.

- Négligé dans les dessins d’assemblages : La croix centrale de contreventement, respectivement l’endroit où deux profilés en LNP se croisent n’a pas été détaillé. Il s’agit d’un simple ajustement par une cale à l’endroit où les profilés se croisent. Ils sont placés de sorte à ce que l’une de leur aile arrive à plat sur celle de l’autre. Pour ce faire, ils ne ne sont pas boulonnés aux mêmes endroits du gousset qui les lie aux pannes. L’un sera placé sur la partie basse du Gousset, l’autre sur la partie haute. Pour rappel, le gousset en question est soudé à la verticale et non en continuité de l’aile de la panne.

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- Une petite erreur de conception a été commise lors de l’assemblage entre la colonne pignon et la membrure en ROR du cadre (voir détail constructif n°5). La pièce qui lie les deux profilés n’a pas été placée correctement. Elle pourrait convenir, moyennant une augmentation de son épaisseur, mais il aurait été plus correct de la placer de sorte à ce qu’elle puisse reprendre l’effort tranchant provenant des forces de vent sur les colonnes pignon

- La réflexion sur le système d’appuis des cadres n’a pas été approfondie. L’énergie a été mise sur l’optimisation de la forme du cadre et sur l’espacement entre les montants. Le système d’appuis prévu est donc constitué de deux appuis fixes par pied de cadre, ce qui est assimilable à un encastrement. Cela demande des fondations plus grandes. Des appuis simples pour ce treillis arqué auraient suffi pour garantir la stabilité de l’ensemble. Néanmoins, un cas de charge de vent prépondérant provoque le soulèvement de la structure et les fondations doivent être lestées pour l’éviter. Cela a pour conséquence qu’un certain volume de béton doit être présent dans la fondation. De ce fait, l’encastrement, qui demande plus d’espace, permet d’étaler le volume de béton en planimétrie, évitant ainsi de devoir creuser trop profond pour faire le socle. Finalement, contrairement à ce qui aurait pu être pensé au départ, l’encastrement ne change pas l’ampleur de la fondation. De plus, le fait que deux membrures soient connectées au sol plutôt qu’une permet de réduire quelque peu la valeur des réactions d’appuis verticales et horizontales. Cela n’a pas une énorme plus-value mais il est bien de le mentionner.

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Conclusion

Dans les grandes lignes, le cahier des charges de ce projet a plutôt été rempli, bien que plusieurs détails n’aient pas pu être réalisés. Le temps disponible pour la réalisation d’un tel projet m’est paru plutôt court, il aurait été agréable d’avoir une ou deux semaines de plus afin de pouvoir rendre un projet plus complet.

Il aurait été notamment intéressant et constructif d’avoir du temps pour réfléchir et mettre en place un plan qui décrit les étapes de montage de la structure. Il aurait permis d’avoir en tête un plus grand nombre d’éléments desquels dépend la conception. Une coupe de principe sur la mise en place des éléments de toiture (isolation, étanchéité, tôle, etc) aurait pu également compléter le jeu de plans.

Egalement un regard sur l’illumination à l’intérieur de la halle aurait été intéressant, à savoir comment gérer et mettre en place des vitrages de part et d’autre de la halle, etc.

Quelques difficultés ont été rencontrées, liées justement au fait que le choix s’est porté sur une structure en arc. La répartition de neige sur un arc selon le modèle de charge n°2 de la norme a dû être interprété sans être persuadé de la justesse. L’accumulation de neige transportée par le vent sur une structure en arc est très difficile à estimer lorsque dans le cas présent, les cadres sont courbés selon plusieurs rayons différents. Du temps a été perdu durant cette étape, par soucis de ne pas être faux, le cas échéant pourrait être problématique si l’épaisseur de neige est sous-estimée. L’effet de l’arc incite également à se soucier que des vérifications ont pu être omises, liées à de nouvelles notions ou simplement auxquelles je serais passé à côté.

Une des difficultés aussi est de conceptualiser d’entrée une bonne structure. Je pense que cela est faisable uniquement à partir d’une certaine expérience. Pour des étudiants, bien que cela fasse partie du projet, l’obligation de devoir changer le concept de la structure au fur et à mesure du déroulement de l’étude est quelque chose de plutôt lourd qui nécessite des changements dans les calculs qui précédent et qui augmente le risque de fautes.

Durant ce projet, quelques réflexions ont également été faites sur les possibilités d’améliorer la conception ou encore optimiser la structure. En y réfléchissant, il serait possible de diminuer l’espacement des cadres voir même de le réduire fortement pour pouvoir non seulement diminuer les sections des cadres mais surtout, moyennant des barres horizontales reliant les cadres, poser directement la tôle sans avoir besoins de panne. Cela permettrait un gain économique intéressant.

Pour conclure, ce projet m’a apporté beaucoup de nouvelles notions et m’a permis de mettre en pratique de manière plus approfondie mes connaissances. Le fait d’avoir pu étudier une structure arquée a été plutôt bénéfique car elle est peu évoquée durant les cours de structure. Elle peut cependant s’avérer très intéressante suivant les ouvrages à réaliser et permet d’élargir mes notions sur les concepts liés à ce type d’ouvrage. Je constate que lors de la conception, au début du projet, j’ignorais une série d’éléments que j’ai découverts par la suite, qui auraient pu me faire gagner du temps. Cependant, j’ai beaucoup apprécié pouvoir esquisser la halle, au départ selon une optique plutôt d’esthétique, et devoir l’assumer par des calculs par la suite, optimiser les coûts et assurer sa sécurité structurale ainsi que son aptitude au service. Je pense que cela fait aussi l’intérêt d’un projet académique.

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Table des illustrations

Figure 1: Terrains à couvrir ... 3

Figure 1: Terrains à couvrir ... Erreur ! Signet non défini. Figure 2: Représentation du treillis arqué et des gabarits ... 4

Figure 3: Efforts normaux repris par la structure soumise aux charges permanentes et à la neige (valeurs de dimensionnement) ... 5

Figure 4: Représentation de la poutre à sous-tirant et des gabarits ... 6

Figure 5 : Efforts de flexion repris par la structure soumise aux charges permanentes et à la neige (valeurs de dimensionnement) ... 6

Figure 6 : Efforts de normaux repris par la structure soumise aux charges permanentes et à la neige (valeurs de dimensionnement) ... 6

Figure 7 : Représentation du cadre haubané et des gabarits ... 7

Figure 8 : Représentation des cadres haubanés (vue en plan) ... 8

Figure 9 : Efforts normaux issus du système passif comprenant les haubans hors coupe ... 8

Figure 10 : Efforts de flexion issus du système passif comprenant les haubans hors coupe... 9

Figure 11 : Forme finale du treillis arqué ... 10

Figure 12: Entretoises de stabilisation au déversement des cadre (image du haut)s, et de transmission du vent de la façade pignon aux pannes (image du bas) ... 11

Figure 13 : Distinction entre les éléments de tôles profilées ... 11

Figure 14 : Cassure observée le long de la toiture ... 12

Figure 15 : Indication des changements de rayon des cadres ... 12

Figure 16 : Efforts normaux dans les membrures du treillis, selon model de charge n°1 de neige ... 13

Figure 17 : Efforts de flexion dans les membrures du treillis, selon model de charge n°1 de neige .... 14

Figure 18 : Points de stabilisation au flambage de la membrure inférieure comprimée ... 14

Figure 19: Effort normal dans l'arc, selon cas de charge déterminant ... 15

Figure 20 : Conception du système statique de contreventement ... 15

Figure 21 : Assemblage de contreventement ... 16

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Références :

[1] Halle métallique : Projet de construction

https://infoscience.epfl.ch/record/187730/files/Massy_Guillaume_projet_de_constructionl.pdf Dernière consultation le 26 juillet 2017

[2] swisstennis.ch

https://www.swisstennis.ch/sites/default/files/spielfeldmasse.pdf Dernière consultation le 31 mai 2017

[3] montana-ag.ch

http://www.montana-ag.ch/fr/produits/profils-ondules Dernière consultation le 27 juilet 2017

[4] Traité de Génie Civil, Volume 10 : Constructions métalliques Manfred A. Hirt, Rolf Bez, Alain Nussbaumer ; édition 2015.

[5] Traité de Génie Civil, Volume 11 : Charpentes métalliques Manfred A. Hirt et Michel Crisinel ; édition 2011.

[6] Tables de dimensionnement SZS C4 et C5 Editions 2014 et 2016.

[7] Normes SIA 260, 261 et 263 Editions 2013

[8] Cours de construction métallique André Flückiger, 2016