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Université Badi Mokhtar Annaba Cycle Licence. Semestre II
I/ Généralités
Tout édifice quelque soit sa nature doit répondre à trois principes essentiels : Fonctionnalité, Solidité et Esthétique.
Ces trois principes trouvent leur solution dans la gestion de la forme : du simple trait jusqu’aux volumes les plus complexes.
Pour qu’un bâtiment existe, il faut qu’il tienne. Dans cette phrase nous introduisons deux (02) sens du principe de la solidité complètement différents.
Le rôle premier d’un bâtiment est de couvrir ou d’englober une activité. Cette enveloppe physique doit assurer la sécurité des utilisateurs de ce bâtiment. Cette enveloppe ne doit en aucun cas s’écrouler et donc en aucun cas constituer le premier danger pour l’homme .Quand nous parlons donc de solidité nous devons comprendre le maintien de l’enveloppe et sa durée de vie ; c.-à-d. sa capacité de garder ses propriétés physiques et mécaniques durant une période donnée qui dépend de la fonction du bâtiment en lui même et du nombre de personnes qu’il abrite ainsi que des conditions de « vie » du dit bâtiment.
L’enveloppe est constituée généralement d’une partie portante et de parties couvrantes (horizontales, verticales ou inclinées). Il existe des cas où les deux fonctions (portance et couverture) sont assurées par les mêmes éléments architecturaux ou constructifs.
Dans le présent cours nous nous intéresserons à la portance.
Université Badji Mokhtar Annaba Cycle Licence. Semestre II
Département d’architecture THEORIE DU PROJET
Formes Structure et Architecture
Équipe pédagogique : MR Naoufel BAHRI, Mme Khedidja BOUFENARA, Melle Heddya BOULKROUNE, Melle Bahia KEBIR, Melle Nadira SAIDi
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Définition : Action de porter les charges d’un bâtiment et de les transmettre au sol de fondation.
Les architectes et ingénieurs de Génie civil appellent communément la partie qui assure la portance : La Structure
Définition : On nomme structure (ﻞﻛﺎﯿﻴﮭﻬﻟاﺍ) l’ensemble des éléments qui assurent la stabilité d’un bâtiment. Elle doit pouvoir transmettre les charges appliquées sans rupture ni déformation. L’objectif est, de ce fait, de véhiculer puis de transmettre les charges et les surcharges d’une construction donnée, à travers des éléments porteurs, tout en assurant l’équilibre de l’ensemble, aux fondations qui se chargent à leur tour de les transmettre au sol.
La portance assurée par la structure du bâtiment est constituée de deux parties :
• La superstructure ou partie se trouvant au dessus du niveau du sol.
• L’infrastructure ou partie située au dessous du niveau de sol.
La superstructure a pour rôle de reprendre toutes les charges du bâtiment (poids propre, charges permanentes et d’exploitation et surcharges accidentelles) et de les transmettre à l’infrastructure.
L’infrastructure a pour rôle de reprendre les charges transmises par la superstructure, de les transmettre au sol d’assise et de résister aux forces qui peuvent exister dans le sol dans laquelle elle se trouve.
L’infrastructure
Elle représente l’ensemble des fondations et des éléments situés en dessous du niveau de base.
On utilise, selon le cas, des semelles isolées ou linéaires (filantes) (en cas de poteaux), continues (en cas de murs porteurs), un radier ou des fondations profondes telles les puits, pieux général (cas de mauvais sol de fondation).
Forme des semelles :
1- Semelle à patin simple (pour faibles charges).
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2- Semelle avec patin et glacis (pour charges importantes)
3- Semelle avec âme et patin (pour charges moyennes)
4- Semelle avec âme patin et glacis (Pour charges très importantes.)
Âme
Glacis
Patin
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Semelles isolées : utilisées en cas de sol ferme.
Poteaux
Longrines Semelles continues croisées
avec radier général sous murs porteurs.
Semelle isolée.
Semelles filantes Longrines
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C’est à l’architecte de donner la forme, donc le type de structure, qu’il juge nécessaire et adéquat à son architecture et cela en tenant compte des lois de physique et de mécanique. Si nous parlons de types c’est qu’il existe différentes solutions à la portance. Ce que doit connaître tout architecte puisqu’il est le maître de l’œuvre.
2 / Classification des structures (superstructures) en fonction de leur forme
La forme d’une structure quelque soit son type engendre différents phénomènes physiques et mécaniques permettant la reprise et la transmission des charges internes et externes.
Il existe des formes de portance dites traditionnelles et des formes beaucoup plus nouvelles et dont l’apparition et leur application sont dues aux développements des matériaux de constructions et des méthodes de calcul de la résistance des matériaux et des éléments plus évoluées et plus compliquées mais facilitées par l’utilisation de l’outil informatique .
A/ Les structures dites traditionnelles.
A.1 Le mur porteur
Il est la forme la plus ancienne de superstructure .Il est utilisé que ce soit dans le bâtiment comme dans les édifices de défense ou dans les ouvrages d’art tels que les murailles, les murs de soutènement, murs de clôtures ou autres….
Le mur porteur constitue en général aussi l’enveloppe verticale externe du bâtiment. Selon la taille de ce dernier, on peut trouver plusieurs murs porteurs intérieurs appelés aussi intermédiaires.
L’épaisseur de ces murs dépend de la hauteur des bâtiments et de la dimension en plan qui les sépare (portée). Elle peut être variable. Naturellement, elle sera plus importante au niveau le plus bas du mur.
L’emplacement des murs dans la construction dépend essentiellement de l’architecture donc de la forme générale du bâti.
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Un mur porteur ne peut en aucun cas être déplacé ultérieurement, ce qui fige pour toute la vie de la construction la forme de celle-ci. L'architecture devient dans ce cas une architecture figée pour toujours.
Du point de vue architectural, un autre problème que posent les murs porteurs est la surface d’ouverture possible dans leurs parois : elle ne peut excéder dans la majorité des cas les 12%.
Ce qui donne des façades plutôt fermées. Ce dernier problème est d’une grande importance dans l’architecture telle qu’elle est perçue actuellement vue les conditions d’hygiène, de santé et de confort exigées par toutes les normes internationales ; celles-ci concernent notamment l’éclairage, l’ensoleillement, le changement d’air, etc.
Du point de vue constructif, il existe plusieurs types de murs porteurs :
• Les murs en maçonnerie de pierres (les plus anciens) ;
• Les murs en maçonnerie de briques ;
• les murs en maçonneries de pierres reconstituées (type parpaing constructif) ;
• Les murs en béton simple, cyclopéen ou en béton armé (les plus récents) ;
• Les murs en rondins de bois (pays froids).
La maîtrise de la technologie du béton armée a permis l’utilisation massive des murs porteurs dans la production de bâtiments préfabriqués après la deuxième guerre mondiale.
La rigidité architecturale qui découle de l’utilisation des murs porteurs est souvent recherchée par les ingénieurs comme solution technique à des problèmes spécifiques à certaines constructions.
Les murs porteurs peuvent être utilisés comme solution technique non pas à la portance mais comme par exemple coupe-feu dans certains bâtiments.
Les bâtiments construits en murs porteurs peuvent avoir dix (10) étages lorsqu’ils sont en maçonnerie armée et avoir vingt cinq (25) étages lorsqu’ils sont construits en grands panneaux de béton armé.
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A.2 Structures à ossatures
Deux types de structure à ossatures sont connus : à ossature complète et à ossature incomplète.
A.2.1 Ossature complète
On entend par ossature complète une série de portiques espacés d’une certaine distance appelée Travée. Le portique est constitué de deux poteaux reliés par une poutre. La distance qui sépare ces poteaux porte le nom de Portée. Les portiques peuvent être en béton armée ou en acier. Le choix du matériau de construction dépend de plusieurs facteurs dont les principaux sont : la fonction du bâtiment, les dimensions en travée et en portée et la hauteur du bâtiment.
Les portiques en béton armé sont formés de :
Ø poteaux : se sont des éléments verticaux en béton avec armatures incorporées. Ils constituent des points d’appuis pour transmettre les charges aux fondations. Suivant leurs emplacements dans la construction ils sont appelés :
• Poteaux d’angles ;
• poteaux de rives ou de façades ;
• poteaux d’intérieurs.
Le dimensionnement des poteaux se fait généralement selon le plan d’architecture et la décente de charge. Leur distribution sur le plan se fait suivant une trame lisible.
Ø poutres : se sont des éléments horizontaux en béton avec armatures incorporées. Elles transmettent les charges qui leurs sont transmises par les éléments supérieurs mais aussi celles du vent et du séisme assimilées a des charges horizontales.
Selon leurs positions elles sont appelées poutres de rive ou de refend. Elles sont aussi poutres principales ou secondaires (de chaînage). Les formes, dimensions et ferraillages des poutres sont déterminés par la composition architecturale et le calcul des charges. La portée maximale autorisée pour une poutre principale est de (7m50), la retombée visible d’une poutre est calculée entre 1/10 et 1/15 de la portée.
Dans ce type de système constructif toutes les charges sont reprises par les portiques .Les murs extérieurs sont soit non porteurs soit autoporteurs.
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Pour des raisons d’économie et de facilité de calcul, l’architecte se doit d’avoir des portées et des travées assez régulières. Cette façon de procéder est facilitée par l’utilisation d’une trame de base simple ou complexe mais toujours suivant une logique bien définie.
Le système à carcasse complète est fortement conseillé lorsque les charges sont importantes qu’elles soient statiques ou dynamiques.
Il est le plus souvent employé lors de la construction des immeubles dont le nombre d’étages est supérieur à vingt cinq (25) : type tours et gratte-ciel.
A.2.2 Ossature incomplète.
Dans ce type de système les poteaux et les poutres si ces dernières existes ne travaillent pas de la même manière que dans le système précédent. Les poteaux travaillent plutôt avec les planchers ou dalles.
La position des poteaux est aussi différente puisqu’ils se trouvent dans la zone moyenne du plan qu’ils reprennent.
Les murs extérieurs sont soit porteurs soit autoporteur.
Ce système porte souvent le nom de planchers champignons vue la forme obtenue par la combinaison des poteaux et des planchers.
Les façades des bâtiments construits avec ce système sont appelées façades rideaux.
Les systèmes à carcasses présentent les avantages suivants :
• Possibilité de planification libre
• Réduction du poids total de la construction (économie de matériaux de construction)
• Augmentation de la surface libre utile sur chaque étage pour un même volume de construction.
• Augmentation des surfaces ouvertes donc de meilleures conditions d’hygiène et de santé.
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Poteaux d’Angle
Poteaux de rive
Poteaux intérieurs
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Les poteaux : se sont des éléments verticaux en béton avec armatures incorporées. Ils constituent des points d’appuis pour transmettre les charges aux fondations.
Suivant leurs emplacements dans la construction ils sont appelés :
Poteaux d’angles, poteaux de rives ou de façades ou poteaux d’intérieurs. Le dimensionnement des poteaux se fait généralement selon la travée et la portée et de la valeur de la décente de charge (qui dépend du nombre d’étages). Leur distribution sur le plan se fait suivant une trame lisible.
Les poutres : se sont des éléments horizontaux en béton avec armatures incorporées. Elles transmettent les charges qui leurs sont transmises par les éléments supérieurs mais aussi celles du vent du séisme assimilées a des charges horizontales.
Selon leurs positions elles sont appelées poutres de rive ou de refend. Elles sont aussi poutres principales ou secondaires (de chaînage). Les formes, dimensions et ferraillages des poutres sont déterminés par les dimensions des travée et portée ainsi que par le calcul des charges. La portée maximale autorisée pour une poutre principale en béton armé est de (7m50), la retombée visible d’une poutre est calculée entre 1/10 et 1/15 de la portée.
B / Structures dites modernes.
Certaines formes sont connues depuis des siècles pour leur stabilité. Les plus utilisées ont été la voûte et la coupole. Ces dernières sont retrouvées dans les architectures romaine, gothique et musulmane sous leurs formes simples ou entrelacées. Le plus souvent, elles ont été plutôt un moyen de couverture qu’un moyen purement constructif puisqu’elles reposent soit sur des murs soit sur des colonnes.
Ce n’est qu’avec l’apparition du béton armé et de son développement que les formes auto stables (découlant généralement des formes naturelles) : ont été utilisé dans leur forme la plus pure et comme élément porteur.
B.1/ Système à coque (ou voile) mince
Sous ce terme nous comprenons les couvertures sous forme de membrane mince ayant une forme géométrique simple (cylindre, demi sphère, cône tronqué ….) ou complexe (hyperboloïde, paraboloïde hyperbolique …..).
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De part leur forme ces coques sont autoportantes et présentent une grande surface de couvertures par rapport à leur épaisseur.
Elles sont employées pour les bâtiments de grandes surfaces libres tels que les marchés, les salles de sport ou de spectacles.
Elles sont constituées d’un béton dont l’armature est très fine. Leur calcul est informatisé.
B.2 / Système de construction à éléments structurels
Ce type de système est aussi nommé : système réticulé. Il obéie à la particularité du triangle C.-à-d. : son indéformabilité et son absorption des charges qui lui sont internes.
Si cette particularité a toujours été connue puisque le triangle dans le plan, a été utilisé dans la construction des fermes (d’abord en bois puis en acier) au vingtième siècle il connaîtra son évolution dans l’espace : d’où le terme système tridimensionnel.
Ce système représente la forme la plus évoluée de la préfabrication. Selon le mode de montage, nous pouvons le rencontrer sous différentes formes : la simple poutre ou poteau, la nappe ou la coupole géodésique.
Ce type de système est recommandé lorsque :
• L es locaux sont assez vastes (écoles, crèches, magasins …..) .Les portés et travées sont supérieures à six (6) mètres.
• La planification est de type cellule (hôtels, bureaux …..)
• Les charges statiques et dynamiques sont importantes.
Il y a quelques décennies, ce système présentait un inconvénient majeur : la rouille , étant donné qu’il était en acier .L’évolution des peintures ainsi que les systèmes de contrôle des jonctions l’a rendu des plus attrayant
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B.3 / Structures tendues.
Dans cette catégorie nous retrouvons deux (02) types de systèmes : Les câbles tendus et les toiles tendues.
B.3.1 Les câbles tendus
La grande résistance de l’acier à la traction ajoutée à l’efficacité de la tension simple font du câble d’acier l’élément de structure idéal pour franchir les grandes distances.
Au départ, les câbles tendus furent utilisés pour supporter des ponts ou comme raidisseurs dans certaines structures traditionnelles. Le développement de la technologie a permis aux architectes leur utilisation pour la couverture de grands ensembles (complexes sportifs, hangars, halls d’exposition ….)
B .3.2 Les toiles tendues.
C’est l’une des formes de couverture les plus anciennes (tipis, tentes …). L’utilisation de ce type de couverture par des sociétés mobiles a montré ses avantages c.-à-d. : facilité de montage et de démontage de la couverture, sa légèreté, la possibilité illimitée de réutilisation.
Toujours le développement de la technologie des matériaux a redonné à ce système toute son importance .Ceux sont ses qualités premières qui ont déterminé le domaine de son utilisation : foires, expositions, bâtiments de secours, piscines….
B.4 / Les systèmes gonflables
Si le système précédant a largement répondu aux attentes des utilisateurs de couvertures non permanentes, les montgolfières donnèrent l’idée aux constructeurs d’utiliser les volumes gonflés pour couvrir de grandes surfaces (toujours pour des périodes déterminées).
Les structures gonflables ne nécessitent pas de structure de tension obligatoire pour les toiles tendues .Elles ont besoin de système d’ancrage uniquement. Le domaine d’utilisation étant pratiquement le même du point de vue architecturale, mais nous voyons ici, les ingénieurs s’y intéresser et l’utiliser comme moule pour le coulage de béton dans les formes sont difficiles à obtenir par des procédés habituels.
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