Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Phase avant-projet : Conception d'un empannage Ce document fournit les informations nécessaires à la conception de l'empannage d'un bâtiment à ossature en acier. Il donne des précisions sur l'interaction entre les pannes et la couverture. Sommaire 1. Introduction : Fonction des pannes 2 2. Différents types de pannes 5 3. Interaction entre les pannes et la couverture 9 4. Continuité de pannes 13 5. Assemblage des pannes à la structure principale 17 6. Liernes et bretelles 19 7. Spécificités des actions exercées 22 Page 1 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU 1. Introduction : Fonction des pannes 1.1 Fonction de base La fonction première des pannes de toiture est d’assurer le transfert des actions appliquées à la couverture d’un bâtiment, à sa structure principale. Les lisses jouent le même rôle en façades. Les pannes et les lisses sont des constituants importants de la structure secondaire du bâtiment. Il convient de noter que, dans bon nombre de bâtiments à structure en acier, à simple rez-dechaussée, le poids des pannes et lisses constitue un élément non négligeable du poids global de la structure (15 à 20%); s’abstenir de l’optimiser peut faire perdre un marché dans un contexte très concurrentiel. La conception de l’empannage d’un bâtiment est réalisée en fonction du type de couverture portée. La nature de la couverture a notamment une incidence directe sur l’espacement des pannes ; elle détermine également sur quelle interaction pannecouverture on peut compter pour le dimensionnement des pannes (voir Chapitre 3). Un empannage comprend non seulement les pannes elles-mêmes (voir les différents types au Chapitre 2), mais également les éventuelles éclisses qui réalisent la continuité des pannes (voir Chapitre 4), les échantignoles qui assurent la liaison entre pannes et structure principale (voir Chapitre 5), les liernes et bretelles éventuelles qui sont chargées du maintien latéral des pannes (voir Chapitre 6). Les charges à considérer (voir Chapitre 7) sont principalement : le poids propre de la couverture, des pannes et de leurs accessoires le poids propre des éventuels équipements portés en toiture les charges d’exploitation suspendues à l’intérieur (ex. : réseau sprinkler, éclairage…) la charge d’entretien en toiture la neige le vent Sous charges gravitaires (poids propre, neige, entretien…), la panne est soumise à une flexion suivant la grande inertie de sa section, et à une flexion latérale de sa semelle supérieure (là où la charge est transmise) qui se développe ou non en fonction du rôle joué par la couverture. Figure 1.1 Note: Sous charges perpendiculaires au versant (vent, charges ascendantes ou descendantes), la panne est soumise à une flexion suivant la grande inertie de sa section Chargement d’une panne A la Figure 1.1, la panne est représentée avec l’âme perpendiculaire au versant, ce qui est presque toujours le cas. Il est très rare que les pannes soient mises en œuvre avec leur âme verticale : cela conduirait à devoir poser la couverture sur cales biaises. Page 2 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU 1.2 Pannes butons En plus de la fonction principale décrite ci-dessus, on peut attribuer aux pannes la fonction de transmettre les actions de vent depuis la tête des potelets de pignon jusqu’à la poutre-au-vent de toiture (si cette poutre-au-vent n’est pas située dans la travée adjacente au pignon) : voir la Figure 1.2. En plus de la flexion résultant de leur fonction principale, les pannes sont alors soumises à un effort normal, soit de compression, soit de traction, éventuellement excentré. A 1 B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B M 2 M M B 3 F1 1 2 3 F8 Sens du vent Panne faîtière double Panne sablière Figure 1.2 Toiture d'un bâtiment - Vue en plan Sur la Figure 1.2, les forces représentées sont les actions exercées, sous l’effet du vent, par les potelets structurant le pignon de la file F1 et qui s’appuient en tête sur certaines pannes. Sous l’effet de ces forces, les pannes jouant le rôle de buton, qui sont dessinées en bleu et repérées B, sont comprimées. Les pannes qui jouent le rôle de montant de la poutre-au-vent de toiture sont dessinées en rouge et repérées M (voir §1.3 ci-dessous). Il convient de noter que, sous l’effet du même vent (même direction et même sens), les potelets structurant le pignon file F8 (sous le vent) exercent des efforts de traction sur les pannes sur lesquelles ils s’appuient : cet effet n’est pas représenté sur la Figure 1.2 mais il se cumule à l’effet représenté, notamment pour le calcul de la poutre-au-vent. On note encore qu’au faîtage, à mi-distance entre les files A et B, la panne est doublée : une panne faîtière en haut de chaque versant constitue la disposition courante qui permet la meilleure pose possible de la couverture. Page 3 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Si on veut éviter d’ajouter la fonction de buton à la fonction principale des pannes, on peut disposer entre les têtes de potelets de pignon et la poutre-au-vent, des butons indépendants (voir Figure 1.3). 1 2 3 1 2 3 4 Panne-buton Traverse du portique de pignon Potelet de pignon Buton indépendant Figure 1.3 1.3 4 Transmission avec ou sans panne-buton Pannes montants de la poutre au vent On peut également attribuer aux pannes la fonction de montant de la poutre-au-vent de toiture : voir sur la Figure 1.2 les pannes montants de la poutre-au-vent de toiture, repérées M et dessinées en rouge. Ces pannes peuvent alors être fortement comprimées dans le fonctionnement de la poutre-au-vent : les diagonales disposées en croix de Saint-André sont en général dimensionnées pour ne résister qu’à la traction et les montants sont, de ce fait, comprimés. Comme pour la fonction « buton », si on veut éviter d’attribuer la fonction montant de poutreau-vent aux pannes, on peut disposer des éléments indépendants (souvent des tubes) pour assurer cette fonction, notamment lorsque les efforts de compression dans les montants de poutre-au-vent deviennent importants (région à vent fort, poutre-au-vent de grande portée). 1.4 Stabilisation des éléments de la charpente principale On attribue aussi fréquemment aux pannes de toiture d’un bâtiment la fonction d’apporter une stabilité latérale aux éléments de la structure principale qui les reçoit (traverse de portique, par exemple). Les pannes peuvent stabiliser la semelle de la traverse de portique (ou la membrure de la traverse-treillis) sur laquelle elles sont attachées (en général la semelle supérieure pour un portique intérieur au bâtiment). On peut considérer comme points de maintien toutes les pannes butées sur la poutre-au-vent de toiture ; pour considérer les autres pannes comme des points de maintien, il faut pouvoir considérer la couverture comme un diaphragme (voir à ce sujet le paragraphe 3). On peut aussi utiliser les pannes pour stabiliser la semelle opposée de la traverse de portique (ou la membrure opposée de la traverse-treillis) : on met alors en place des bracons comme montré sur la Figure 1.4. Page 4 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Bracon d’un seul côté : il ne crée pas un appui supplémentaire pour la panne ; le schéma statique n’est pas modifié. La panne subit un effort de stabilisation de la semelle maintenue. Bracons de part et d’autre de la traverse maintenue latéralement : ils créent des appuis supplémentaires pour la panne. On parle de « pannes braconnées ». Maintien de la membrure inférieure de traverses-treillis par contreventement vertical sur la panne (ciseau) Figure 1.4 Stabilisation latérale de la structure principale par les pannes 2. Différents types de pannes 2.1 Généralités Un des éléments de la conception d’un empannage est le choix du type de pannes. D’une façon générale le choix s’opère entre les pannes en poutrelles laminées à chaud, le plus souvent IPE, et les pannes minces formées à froid, les pannes-treillis n’étant que plus rarement utilisées. Ce choix, si il est laissé au constructeur de la structure en acier, est davantage un choix d’organisation de sa production qu’un choix lié aux performances de l’un ou l’autre produit. En effet, les pannes IPE et les pannes minces formées à froid peuvent remplir les mêmes fonctions. Les pannes minces formées à froid et leurs accessoires sont le plus souvent étudiés et fabriqués par un industriel spécialisé qui détient les machines de profilage : le constructeur chargé de réaliser la structure en acier d’un bâtiment achète les pannes à un de ces industriels. A l’opposé, les pannes IPE sont le plus souvent étudiées et fabriquées par le constructeur de la structure principale. Un des critères de choix entre les deux options est la charge de l’atelier du constructeur : en surcharge, il préférera acheter de la panne formée à froid ; en souscharge, il préférera fabriquer lui-même… Page 5 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Quel que soit le type de panne retenu, la nature de la couverture détermine un espacement maximal entre pannes. Les documents définissant les performances des produits de couverture fournissent généralement des tables qui permettent de déterminer leur portée maximale (donc l’espacement maximal des pannes) en fonction de la charge portée. La nature de l’isolation thermique de la toiture, si elle est réalisée par l’intérieur du bâtiment, peut également avoir une incidence sur le choix des pannes : espacement, hauteur minimale de la section. 2.2 Pannes en poutrelles laminées à chaud (IPE) La gamme des poutrelles IPE de faible hauteur (jusqu’à IPE 240 environ) est largement utilisée pour réaliser des pannes. Dans le Tableau 2.1 ci-dessous, on donne une indication sur le choix de section à retenir dans la gamme des IPE, en fonction de la portée de la panne (variant de 5 à 10m) et en fonction de la charge par mètre linéaire de panne à l’ELS. Ces indications sont fondées sur un critère de flèche du 200ème de la portée à l’ELS, et sur un critère de résistance sous chargement égal à 1,5 fois le chargement ELS. Le critère de résistance est l’atteinte de la capacité élastique en flexion simple de la section avec les hypothèses suivantes : Acier S235 Pas d’abattement du moment sur appui dû à la présence d’éclisses Pas d’effort normal dans la panne (pas de rôle de buton) Coefficients partiels : γM0 = γM1 = 1,0 Pas de flexion latérale prise en compte Pas de déversement Les deux dernières hypothèses sont notamment tributaires du mode de stabilisation latérale des pannes (rôle de la couverture : voir paragraphe 3 ; liernage : voir paragraphe 0). Les choix mentionnés dans le Tableau 2.1 sont donc bien indicatifs : ils ne tiennent en aucun cas lieu de note de calculs justifiant la résistance des pannes. Dans le Tableau 2.1, l’indication (f) distingue les cas où le critère de flèche conduit à sélectionner un échantillon supérieur à celui résultant du critère de résistance : cela se produit de façon systématique – ou presque – dans les configurations « panne isostatique », et également dans les configurations « en continuité » pour les portées importantes. A noter que le critère de flèche deviendrait prépondérant dans un nombre de cas bien plus grand avec un acier S355. On peut également noter dans le tableau que la mise en continuité des pannes conduit de façon systématique à en réduire la section. Page 6 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Tableau 2.1 Choix de la section d’une panne dans la gamme IPE Dimension IPE, pour la charge d'exploitation Portée 1,0 KN/m 5m 6m 7m 8m 9m 10 m 1,5 KN/m 2,0 KN/m 2,5 KN/m Isostatique IPE 100 IPE 120 (f) IPE 120 (f) IPE 140 Continue IPE 100 IPE 100 IPE 100 IPE 120 Isostatique IPE 120 (f) IPE 140 (f) IPE 140 IPE 160 (f) Continue IPE 100 IPE 120 IPE 120 IPE 140 Isostatique IPE 140 (f) IPE 160 (f) IPE 160 (f) IPE 180 (f) Continue IPE 120 IPE 120 IPE 140 IPE 160 Isostatique IPE 160 (f) IPE 180 (f) IPE 180 (f) IPE 200 (f) Continue IPE 120 IPE 140 IPE 160 IPE 160 Isostatique IPE 180 (f) IPE 200 (f) IPE 200 (f) IPE 220 (f) Continue IPE 140 (f) IPE 160 (f) IPE 180 (f) IPE 180 Isostatique IPE 180 (f) IPE 200 (f) IPE 220 (f) IPE 240 (f) Continue IPE 160 (f) IPE 180 (f) IPE 180 IPE 200 Légende : (f) : le critère de flèche est déterminant Note 1 : pour les pannes continues, il s’agit de pannes sur 4 appuis Note 2 : dans certains pays, les pannes IPE sont conçues selon le « système Gerber », en les dotant d’articulations pour obtenir des moments égaux au niveau des appuis et en travée (en général une articulation par travée). 2.3 Pannes minces formées à froid 2.3.1 Généralités Les pannes minces formées à froid sont généralement réalisées par profilage à partir d’une tôle en acier, processus de fabrication qui permet d’obtenir toutes les formes imaginables. Cependant les principales formes de section utilisées pour les pannes sont les Sigma et les Zed. b h SIGMA Figure 2.1 ZED Sections de pannes formées à froid Pour les Sigma et les Zed, les gammes de hauteur et d’épaisseur sont à peu près les mêmes : Hauteur H de la section comprise entre 140 et 350 mm Epaisseur de la tôle profilée comprise entre 1,5 et 4 mm Page 7 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU La largeur de la semelle b est souvent de l’ordre de 70 mm. A noter que pour les pannes Zed, les largeurs de la semelle supérieure et de la semelle inférieure diffèrent légèrement pour permettre la mise en continuité des pannes par emboîtement. Alors que pour les pannes en profilé laminé à chaud, la portée ne dépasse généralement pas 10 mètres, pour les profilés formés à froid, les portées franchies peuvent atteindre 12 à 15m, ce qui permet de réduire le nombre de portiques. Ces valeurs relatives aux portées peuvent différer d'un pays à l'autre. 2.3.2 Systèmes propriétaires Les pannes minces formées à froid et les lisses sont souvent fournies sous la forme de systèmes propriétaires spécifiés d'après les données du fabricant. Les données de conception sont généralement calculées en fonction de modèles empiriques s'appuyant sur un programme d'essais approfondi. Ces essais tiennent compte du sens du chargement (poussée descendante et ascendante) et de l'interaction entre le bac acier de couverture et les pannes. En cas d'utilisation de systèmes propriétaires, il suffit normalement que l'ingénieur de structure choisisse la dimension de section appropriée à partir des tables charge/portée ou du logiciel du fabricant sans avoir à recourir à des vérifications de calcul supplémentaires sur la résistance de la panne. Cette approche se justifie par le fait que les fabricants ont déjà entrepris eux-mêmes les évaluations structurales (par des analyses, des essais, ou une combinaison d'analyses et d'essais), conformément aux codes, normes et règles concernées. 2.4 Pannes treillis Elles sont peu utilisées. Il est possible de concevoir des pannes-treillis à membrures parallèles, comme montré à la Figure 2.2. Les principales questions liées à la conception de telles pannes sont celles liées à la conception de toutes les poutres à treillis : Maîtrise des moments de flexion secondaires résultant de : ¾ La continuité des barres ou l’encastrement des barres les unes sur les autres ¾ Excentrements d’épure éventuels ¾ Charges appliquées entre nœuds Maîtrise des déplacements additionnels dus aux jeux présents dans les attaches boulonnées Le rapport L/H est environ de 15. H L Figure 2.2 Pannes treillis Page 8 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU On peut classer au chapitre des pannes treillis les poutres triangulaires recevant la couverture dans une toiture en sheds (voir Figure 2.3), portant entre poutres treillis principales : cette conception est encore utilisée pour la réalisation d’ateliers (ex. : industrie automobile). Le vitrage incliné, orienté Nord, permet d’obtenir un éclairage naturel efficace. 2 3 4 N 1 1 2 3 4 Panne treillis Vitrage Couverture opaque Poutre treillis principale Figure 2.3 3. Panne treillis dans une toiture en sheds Interaction entre les pannes et la couverture Un autre paramètre majeur de la conception d’un empannage est le rôle attribué à la couverture dans le cadre du projet. La couverture peut-elle être utilisée pour la stabilisation latérale des pannes ? Il importe que l’option retenue soit clairement définie dans les documents du marché, notamment si la réalisation de la structure en acier d’une part, et celle de la couverture d’autre part, sont confiées à des entreprises différentes (c’est souvent le cas dans certains pays, notamment en France). Cette clarification contractuelle permet à tous les intervenants de tenir compte des mêmes hypothèses. 3.1 Cas des couvertures constituées par des plaques nervurées en acier associées ou non à d’autres matériaux, et vissées sur les pannes La stabilisation des pannes par la couverture est traitée par la partie 1.3 de l’Eurocode 3 (EN 1993 1-3). Si les documents du marché excluent cette utilisation de la couverture, la construction est dite « de classe 3 », au sens de l’EN 1993-1-3. Si les documents du marché prescrivent en revanche cette utilisation de la couverture, la construction est dite « de classe 2 ». Pour mémoire, dans une construction « de classe 1 », la couverture est utilisée pour la stabilisation globale du bâtiment (cas non envisagé ici). Page 9 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Dans une construction de classe 3, quelle que soit la nature des pannes (profilés laminés à chaud – IPE – ou pannes formées à froid) : La composante, suivant la pente du versant, des charges gravitaires (voir Figure 1.1) est reprise par flexion latérale de la semelle supérieure des pannes. Il convient de maîtriser les contraintes et les déplacements qui résulte de cette flexion en prévoyant des liernes en nombre suffisant (voir paragraphe 5). Les déplacements latéraux doivent être très limités pour être compatibles avec l’hypothèse de non-transmission d’effort à la couverture dans son plan (par exemple, le 500ème de la distance entre liernes. Les pannes doivent être stables au déversement (et au flambement si elles ont un rôle de buton) sans aucun recours à la couverture. Dans une construction de classe 2 : La composante, suivant la pente du versant, des charges gravitaires est transmise par la couverture directement à la structure principale (portiques par exemple), sans mettre les pannes en flexion latérale. Les pannes sont maintenues au déversement par la couverture : ¾ Maintien rigide et déversement exclu quand la semelle comprimée est celle sur laquelle la couverture est vissée (cas général : semelle supérieure des pannes comprimée sous moment fléchissant positif) ¾ Maintien semi-rigide et déversement gêné quand la semelle comprimée est celle sur laquelle la couverture n’est pas fixée (cas général : semelle inférieure des pannes comprimée sous moment fléchissant négatif). Ce maintien semi-rigide résulte de l’encastrement panne-couverture ; voir Figure 3.1. La couverture acquiert un rôle structural : ¾ Il appartient à celui qui conçoit l’empannage en tenant compte de la stabilisation des pannes par la couverture de définir les efforts induits dans le plan de la couverture (fonctionnement en diaphragme) ¾ Il appartient à celui qui conçoit la couverture de tenir compte de ces efforts d’interface lorsqu’il justifie la résistance du produit qu’il met en œuvre et de ses fixations ¾ Il appartient au propriétaire du bâtiment de ne pas entreprendre d’aménagements du bâtiment qui pourraient altérer la résistance de la couverture dans son plan, telle qu’elle a été prise en compte lors de l’étude des pannes Il est clair que la stabilisation des pannes par la couverture permet un gain non négligeable sur la constitution de l’empannage (section des pannes moins importante, nombre de liernes diminué). Ce gain est obtenu au prix de l’introduction des efforts d’interface dans le plan de la couverture. Dans la grande majorité des cas, ces efforts n’ont pas d’incidence sur le dimensionnement de la couverture (ils sont généralement faibles vis-à-vis de la capacité de la couverture dans son plan). Il faut cependant porter une attention particulière à la résistance des points de liaison entre couverture-diaphragme et structure principale (voir le paragraphe 5) où se trouve concentrée la transmission des efforts dans le plan de la couverture. Page 10 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Il faut aussi noter le changement de « statut administratif » de la couverture qui acquiert un rôle structural. A noter encore : la stabilisation des pannes par une couverture en plaques d’acier nervurées vissées a longuement été implicitement utilisée car il est physiquement indiscutable qu’une telle couverture a, dans son plan, une rigidité très largement supérieure à celle des pannes en flexion latérale. Avec le classement défini par l’EN 1993 1-3, cette utilisation de la couverture devient explicite. 1 2 3 1 Fixations panne – couverture alternativement placées d’un côté et de l’autre de l’âme 2 Effort de stabilisation (déversement) 3 Semelle inférieure comprimée (en flexion négative) La rigidité globale de l’encastrement dépend de la rigidité de l’âme de la panne en flexion, de la rigidité du bac de couverture en flexion et de la rigidité locale de la fixation panne – couverture. Elle peut être déterminée expérimentalement ou en utilisant des valeurs forfaitaires données par l’Eurocode 3 Partie 1.3 (EN 1993 1-3). Figure 3.1 Stabilisation de la semelle inférieure par encastrement élastique panne-couverture Page 11 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU 4 2 5 3 1 1 Diaphragme 3. Partie inférieure du versant 2 Faîtage 4 Efforts 5 Coupe transversale du portique Chaque panne stabilisée transmet à la couverture des efforts d’interface. Le panneau de couverture, hachuré, constitue un diaphragme appuyé sur les deux portiques (structure principale) qui le bordent : ce diaphragme a pour rôle de transmettre l’ensemble des efforts d’interface qui lui sont appliqués par les pannes, à la structure principale, sans mise en flexion latérale des pannes. Il convient de s’assurer que la liaison diaphragme – structure principale est suffisamment résistante. Le chargement dans le plan de la toiture n'est représenté que pour un panneau, le panneau étant délimité par deux traverses. Figure 3.2 3.2 Vue en plan d'un versant de toiture - diaphragme élémentaire entre portiques Autres matériaux Pour d’autres matériaux de couverture ayant un comportement comparable à celui des plaques nervurées en acier, on peut adopter une démarche comparable. Pour les matériaux translucides utilisés dans les bâtiments industriels pour créer un éclairage naturel, il est d’usage de ne pas considérer qu’ils sont aptes à stabiliser les pannes. Si on veut préserver la fonction de diaphragme d’un panneau de toiture constitué principalement de plaques nervurées vissées en acier, dans lequel on intègre des éléments translucides, il convient de respecter les règles suivantes : Aucune plaque translucide n’est placée dans une bande de 1 mètre au moins de part et d’autre de l’axe du portique ou de la poutre supportant les pannes. Les pannes faîtières et de bas de versant ne peuvent pas servir d’appui aux plaques translucides Toutes les plaques translucides ne portent que sur 2 appuis et sont toujours intercalées suivant le versant entre deux plaques acier Page 12 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU 4. Continuité de pannes 4.1 Ce qu’apporte la continuité : flèches, moments, actions sur supports Le fait de mettre en continuité une panne de toiture sur 3 appuis ou plus, modifie de façon sensible les sollicitations et les flèches. Pour une panne en flexion uniaxiale (suivant sa grande inertie) : Flèche maximale sous l’effet d’une charge uniformément répartie q : ¾ Panne isostatique, sur 2 appuis simples : f0 = 5 q L4/(384EI) ¾ Panne sur 3 appuis, continuité parfaite : f = 0,4 f0 ¾ Panne sur 4 appuis et plus : f = 0,5 f0 La mise en continuité d’une panne soumise à une charge uniformément répartie permet de diviser sa flèche par 2 (par rapport à la panne sur deux appuis simples). Moment maximal sous l’effet d’une charge uniformément répartie q : ¾ Panne isostatique, sur 2 appuis simples : M0 = q L2/8 ¾ Panne sur 3 appuis, continuité parfaite : Mmin = -M0 (sur appui central) Mmax = 0,56 M0 (en travée) ¾ Panne sur 4 appuis et plus Mmin = -0,84 M0 (sur premier et dernier appuis intermédiaires) Mmax = 0,63 M0 (en travées de rive) La mise en continuité sur au moins 4 appuis diminue la valeur absolue du moment de flexion principale. Action maximale sur appui sous l’effet d’une charge uniformément répartie q : ¾ Appui recevant une panne isostatique de part et d’autre : R0 = q L ¾ Panne sur 3 appuis, sur appui central : ¾ R = 1,25 R0 er Panne sur 4 appuis et plus, sur le 1 appui intermédiaire : R = 1,1 R0 La mise en continuité majore l’action des pannes sur certains appuis. Il convient d’en tenir compte pour le dimensionnement des structures supports (portiques par exemple). La mise en continuité des pannes est particulièrement intéressante lorsque le critère de flèche est prépondérant, donc pour les longues travées (au delà de 6 m environ) Si les pannes sont continues sur toute la longueur du bâtiment, l’action sur les premier et dernier appuis intermédiaires est majorée par rapport à la répartition isostatique Si les pannes sont en continuité par tronçons sur la longueur du bâtiment, on cherchera à minimiser la majoration de l’action sur certains portiques en décalant les appuis à Page 13 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU réaction majorée d’un cours de panne à l’autre (notamment si les pannes sont continues par tronçons de deux travées). Note : Dans certains pays, les pannes IPE sont conçues à la manière d'un « système Gerber », en les dotant d’articulations pour obtenir des moments égaux au niveau des appuis et dans les travées (généralement une articulation par travée). 4.2 Méthodes pour rendre les pannes IPE continues Il est d’usage de réaliser la continuité des pannes en profilés laminés (IPE) par assemblage boulonné. Deux types d’assemblages sont possibles : Assemblages où les efforts transmis sont perpendiculaires aux tiges des boulons ; Assemblages où les efforts transmis sont parallèles aux tiges des boulons. Pour les premiers comme pour les seconds, il est d’usage de ne pas utiliser de boulons à serrage contrôlé, mais des boulons dits « ordinaires ». Cela signifie que dans la première famille d’assemblages, les boulons sont cisaillés (et dans la deuxième, les boulons sont tendus). La pratique la plus répandue est l’éclissage de continuité par boulons cisaillés, comme montré sur la Figure 4.1. 3 1 2 1 Eclissage sur appui : cas le plus courant. Attention à la compatibilité entre l’éclisse et l’échantignole (voir § 5) 2 Eclissage décalé par rapport à l’appui La continuité est réalisée par éclissage sur l’âme des deux tronçons de pannes à rendre continus : on n’éclisse pas les semelles car l’éclissage de la semelle supérieure gênerait l’appui couverture sur panne ; l’éclissage de semelle inférieure gênerait l’appui panne sur structure principale en cas de continuité réalisée sur appui. L’éclissage est symétrique par rapport au plan de l’âme (une éclisse de part et d’autre) : les boulons travaillent en double cisaillement. Attention : limiter le jeu des boulons dans leur trou sous peine de n’avoir qu’une continuité partielle (voir calcul illustratif en § 4.4 ci-dessous). Figure 4.1 Eclissage de continuité par boulons cisaillés Page 14 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU La continuité est réalisée par platines d’about soudées à l’extrémité de chaque tronçon de panne et boulonnées entre elles. On ne peut pas utiliser de boulons extérieurs côté semelle supérieure, pour ne pas géner la pose de la couverture. On ne peut utiliser de boulons extérieurs (dessinés en pointillés bleus) côté semelle inférieure que si le joint de continuité est décalé par rapport à l’appui ; mais cette disposition n’a d’intérêt que si la semelle inférieure est en forte traction dans la section où la continuité est réalisée, ce qui n’est pas fréquent. La disposition courante est donc : platines sans boulon extérieur. La continuité par éclissage reste cependant plus utilisée, permettant une meilleure commodité de montage. Figure 4.2 4.3 Continuité par platines d'about et boulons en traction Mode de réalisation de la continuité des pannes formées à froid : cas des Zed par emboîtement, cas des Sigma par éclissage Dans tous les systèmes industrialisés d’empannage à base de profilés à froid, la continuité des pannes est réalisée sur appui, pour des raisons de facilité de montage. La continuité de pannes en Z est obtenue par emboîtement d’un profilé dans l’autre : L L T1 L L T3 T2 T4 R 1-2 T1, T2, R 1-2 Figure 4.3 Tronçon 1, tronçon 2, etc. Zone de recouvrement 1-2 Continuité des pannes en Z Le recouvrement est obtenu en donnant aux tronçons une sur-longueur par rapport à la longueur de la travée. En général, la sur-longueur est de l’ordre de 0,1 L au-delà de chaque appui (un tronçon courant a ainsi une longueur de 1,2 L). Pour les tronçons de rive, on donne souvent une sur-longueur un peu plus grande, de l’ordre de 0,15 L au-delà du premier appui intermédiaire du fait que le moment sur cet appui est maximal en valeur absolue (un tronçon de rive a ainsi une longueur de 1,15 L). La rigidité de l’assemblage, notamment dans les cas de recouvrement court, doit être évaluée par l’expérimentation. Page 15 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU La continuité des pannes Sigma est assurée par éclissage. Les éclisses sont généralement profilées à froid, comme les pannes, mais à partir de tôles d’acier plus épaisses (de l’ordre de 4 mm). Ce mode de fabrication permet de leur donner une forme exactement adaptée à leur fonction, et la continuité se fait à la fois par cisaillement des boulons (comme montré en Figure 4.1) et par emboîtement de l’éclisse dans le creux d’âme du Sigma. Compte tenu de la forme de la section des pannes, l’éclissage est placé d’un seul côté, avec des boulons en cisaillement simple. La rigidité de l’éclissage, notamment dans les cas d’éclissage court, doit être évaluée par l’expérimentation. 4.4 Semi-rigidité des assemblages de continuité : calcul simple illustrant la prise de rotation par jeux dans un éclissage court Il faut prendre garde au fait que les avantages de la continuité des pannes peuvent être rapidement perdus si l’assemblage réalisé entre deux tronçons consécutifs est insuffisamment rigide. L’EN 1993-1-3 prescrit d’ailleurs de tenir compte de la semi-rigidité éventuelle de cet assemblage pour le calcul des sollicitations et des déplacements. Cette prescription doit être étendue à tous les types de pannes, IPE ou pannes minces formées à froid. Prenons l’exemple d’une panne à deux travées de 10 mètres, avec continuité réalisée par éclissage : 10 m 10 m 350 mm 1000 mm Figure 4.4 Exemple : panne continue sur deux travées La longueur totale de l’éclisse est de 1 m (500 mm de part et d’autre de l’appui). L’assemblage de l’éclisse sur chaque tronçon de panne est réalisé par 4 boulons de diamètre 16 mm, logés dans des trous de 18 mm de diamètre (2 mm de jeu). La prise de jeu permet une rotation de 4/350 = 0,0114 rd, ce qui correspond à libérer, sur appui, un moment égal à 0,0114 (3EI/L). Si on suppose que la panne a été dimensionnée par le critère de flèche de L/200 à l’ELS, avec l’hypothèse d’une continuité parfaite : L/200 = 2 qELS L4 / 384EI → EI = 400 qELS L3 / 384 Le moment libéré sur appui vaut : 0,0114 x 1200 qELS L2 / 384 = qELS L2 / 28 Page 16 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU La flèche additionnelle en travée vaut environ : (qELS L2 / 28)(L2 / 16) = qELS L4 / (448EI) La flèche a donc augmenté de 43% ! Elle n’est plus admissible. Attention à la maîtrise des jeux dans les assemblages de continuité. 5. Assemblage des pannes à la structure principale 5.1 Fonction des assemblages panne/structure principale La fonction de ces assemblages est de transmettre les actions appliquées à la toiture (ensemble constitué de l’empannage et de la couverture) à la structure principale. Les actions transmises ont : Une composante perpendiculaire au plan du versant, descendante ou ascendante ; Une composante parallèle au plan du versant, généralement dans le sens de la pente. La composante perpendiculaire au versant résulte de la flexion de la panne suivant sa grande inertie. La composante parallèle au versant résulte : Soit de la flexion latérale de la semelle supérieure de la panne si la couverture n’a pas de rôle stabilisateur ; Soit du fonctionnement en diaphragme élémentaire de la couverture si on lui a attribué un rôle stabilisateur (voir Chapitre 3). 5.2 Différents types de liaisons L’assemblage de la panne à la structure principale peut être réalisée : Soit (1) par boulonnage direct de la semelle inférieure de la panne sur la semelle supérieure de la poutre principale (traverse de portique en général) ; Soit (2) par l’intermédiaire d’une échantignole, simple ou double ; Soit (3) par double cornière âme de panne sur âme de poutre principale. La solution (2), par échantignole, est la plus utilisée car elle permet un montage plus facile et permet aussi de donner la raideur nécessaire à l’attache vis-à-vis des efforts parallèles au versant. De plus, dans le cas des pannes minces profilées à froid, elle évite le problème d’écrasement de l’âme sur appui. La solution (3) n’est que rarement utilisée. Page 17 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU 1 1 2 2 3 3 Solution 1 : Boulonnage direct de la panne sur la semelle de la traverse de portique. Sous l’effet de l’effort de soulèvement, la semelle inférieure de la panne est fléchie et les boulons de fixation sont tendus. Sous l’effet de l’effort parallèle au versant, l’âme de la panne est mise en flexion Solution 2-a : Assemblage par échantignole simple : l’échantignole est réalisée au moyen d’un plat plié ; elle est dimensionnée en flexion sous l’effet de l’effort de soulèvement et de l’effort suivant versant. Ce type d’attache ne convient que pour des efforts modestes Solution 2-b : L’assemblage par échantignole double permet de transmettre des efforts plus importants. Solution 2-c: Assemblage par double échantignole raidie Note : Attention à la compatibilité entre échantignole et éclisse de continuité, lorsque la continuité est réalisée sur appui. Légende : 1 Couverture 2 Panne 3 Semelle supérieure de la traverse du portique Solution 3 : Assemblage par cornières jumelées de chaque tronçon de panne sur l’âme de la poutre porteuse (traverse de portique) Figure 5.1 Différents types d'échantignole Page 18 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Assemblage par échantignole simple en plat plié pour Même assemblage avec échantignole raidie panne Sigma – la panne est « suspendue » pour éviter la compression locale de l’âme (aussi utilisé pour les pannes Zed emboîtées). Figure 5.2 Différents types d’échantignole pour panne Sigma ou panne Zed 6. Liernes et bretelles 6.1 Fonctions des liernes et des bretelles Le liernage des pannes d’une toiture a les fonctions suivantes : En phase de montage du bâtiment, assurer la rectitude des pannes avant mise en place de la couverture : ¾ Pour permettre une mise en œuvre correcte des fixations couverture sur panne (vis auto-taraudeuses dans la partie plane de la semelle de panne) ; ¾ Pour obtenir un aspect satisfaisant des pannes vues de l’intérieur du bâtiment ; ¾ Pour ne pas perturber le comportement structural des pannes. En phase d’exploitation du bâtiment, apporter aux pannes un maintien latéral : ¾ En association avec la couverture si on confère à la couverture un rôle de diaphragme stabilisant les pannes ; ¾ De façon autonome, si la couverture n’a pas de rôle stabilisateur (voir Chapitre 3). Apporter un maintien latéral signifie : Limiter la portée de la panne stabilisée (ou de sa semelle supérieure isolée) vis-à-vis des actions latérales (suivant le versant) ; Limiter la longueur de déversement sous moment négatif et/ou positif ; Limiter la longueur de flambement latéral pour les pannes comprimées (celles qui ont une fonction de buton). Pour remplir correctement ces fonctions, il faut créer dans le plan de chaque versant, un élément structural raide : les liernes seules ne suffisent pas. Les seules liernes égalisent le déplacement latéral des pannes mais ne l’annulent pas, il faut leur associer des « bretelles » qui permettent de constituer une poutre-treillis dans le versant, dont les membrures sont deux pannes voisines, les montants sont les liernes et les diagonales sont les bretelles. Page 19 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Cette poutre treillis est généralement constituée en haut de versant de façon à ce que les liernes soient tendues sous charges gravitaires, sauf leur tronçon supérieur (dans la hauteur de la poutre-treillis), les bretelles étant également positionnées de façon à être tendues. Suivant la longueur du versant, il peut être nécessaire de placer une poutre de liernage intermédiaire : prévoir un rang de bretelles tous les 15 mètres de versant environ. En présence d’une couverture jouant un rôle de diaphragme, il est possible de justifier la stabilité de certaines pannes sans avoir recours à des liernes ; les liernes, ou des éléments équivalents, restent cependant nécessaires en phase de montage. Un ordre de grandeur de l’espacement des liernes est donné par : Portée de la panne inférieure à 6 mètres : une lierne à mi-portée ; Portée comprise entre 6 et 8 mètres : deux liernes aux tiers points ; Portée comprise entre 8 et 10 mètres : trois liernes aux quarts points ; Les éléments ci-dessus décrits sont représentés sur la Figure 6.1. Au cas où les liernes ne servent qu'au montage, lorsqu'elles ne sont pas nécessaires à la résistance une fois la toiture en place, il est possible d'augmenter ces valeurs d'espacement en fonction de la méthode de montage employée. 5 1 6 6 4 2 3 3 Légende : 1 Faîtage 2 Bas de versant 3 Portiques Figure 6.1 4 5 6 Liernes placées aux quarts points de la travée Bretelles Pannes membrures de la poutre de liernage Vue en plan d’un versant de toiture Page 20 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU 6.2 Différents types de liernes Si on met des liernes en œuvre, il importe que ces liernes soient efficaces pour la fonction qu’on leur attribue, notamment en phase de service du bâtiment couvert. Doivent-elles maintenir latéralement la semelle supérieure des pannes ? Leur semelle inférieure ? Leurs deux semelles ? La fonction attribuée aux liernes est, on l’a vu, tributaire de celle attribuée à la couverture. Par exemple, si on a attribué à la couverture un rôle de diaphragme (couverture en plaques nervurées en acier, vissées sur les pannes), il n’est pas nécessaire d’attribuer aux liernes le rôle de stabiliser la semelle supérieure des pannes (celle sur laquelle la couverture est vissée). Si l’encastrement panne sur couverture est suffisant, il peut de plus ne pas être nécessaire de stabiliser la semelle inférieure par des liernes. Si, en revanche, on n’a pas attribué à la couverture un rôle de diaphragme, le liernage est utilisé pour stabiliser latéralement : la semelle supérieure : les liernes constituent un appui de la semelle supérieure vis-à-vis des charges suivant le versant, et vis-à-vis du déversement de la panne sous moment positif (en travée sous charges descendantes, sur appuis sous charges ascendantes) ; la semelle inférieure : les liernes constituent alors un appui de la semelle inférieure vis-àvis du déversement sous moment négatif (en travée sous charges ascendantes, sur appuis sous charges descendantes). Pour être efficaces, les liernes doivent avoir une certaine raideur : une tige filetée de diamètre 8 mm placée à mi-hauteur d’âme (comme on en voit parfois) est généralement inefficace ; des liernes en cornière ou en tube sont préférables. A rigidité similaire, d'autres solutions sont envisageables. Page 21 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Maintien de la semelle inférieure – semelle supérieure maintenue par la couverture jouant un rôle de diaphragme Maintien des deux semelles : lierne en cornière, fixation par cornière soudée sur lierne et 2 boulons sur panne Maintien des deux semelles : lierne en tube, continue au droit des pannes Maintien des deux semelles : lierne en cornière, continue au droit des pannes, fixation par cornière soudée sur lierne et 2 boulons sur panne Figure 6.2 Différents types de liernes 7. Spécificités des actions exercées 7.1 Neige La neige est souvent une des charges prépondérantes pour le dimensionnement des pannes de toiture, notamment lorsque la couverture a un faible poids propre. Le poids de neige à retenir dans les calculs est fonction de la région dans laquelle le bâtiment est construit, de l’altitude du site, et de la forme de la construction. Il faut notamment prendre garde aux phénomènes d’accumulation (répartitions non uniformes de la neige sur la toiture) liés à la forme des constructions. Page 22 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU a) Figure 7.1 b) Accumulation de neige sur une toiture Figure 7.1 a) Construction avec décrochement en élévation : la charge de neige par m2 est plus importante au pied du décrochement qu’en zone courante. Si on garde un espacement de panne constant, les pannes doivent être plus résistantes dans la zone de forte charge ; or, pour que la pose de la couverture soit correcte, il faut que les pannes aient la même hauteur. Pour les pannes profilées à froid, il est facile d’avoir une résistance supérieure à hauteur constante : il suffit d’augmenter l’épaisseur de la tôle à partir de laquelle la panne est profilée. En revanche, pour les pannes IPE, il n’est pas économique de prendre des HEB de même hauteur, mieux vaut adopter une solution par rapprochement des pannes dans la zone de plus forte charge. Figure 7.1 b) 7.2 Même phénomène le long d’un acrotère de long pan (en bas d’un versant) : dans cette zone, il faut des pannes plus résistantes à espacement constant, ou des pannes plus rapprochées Vent Soulèvement de la toiture dans les bâtiments ouverts Dans bon nombre de configurations courantes, l’action exercée par le vent sur les toitures est une action de soulèvement. Il faut accorder une grande attention aux ouvertures existant dans les parois verticales du bâtiment qui peuvent provoquer une augmentation notable de cette action de soulèvement. Un soulèvement significatif en toiture a une influence sensible sur la conception de l’empannage : semelle inférieure des pannes comprimée en travée (à maintenir vis-à-vis du déversement), échantignoles fortement sollicitées… Action descendante du vent sur les bâtiments avec décrochement en élévation Dans certains cas particuliers, le vent peut avoir une action descendante significative sur une partie de toiture. C’est le cas notamment des toitures avec décrochement en élévation. Page 23 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU 2 1 Légende : 1 2 Figure 7.2 Sens du vent Zone dans laquelle le vent exerce une action descendante sur la toiture. Il faut prêter une grande attention à l'effet de cumul avec la neige ! Action descendante du vent sur la toiture Pannes comprimées Lorsque le pignon d’un bâtiment classique est frappé par le vent (voir Figure 1.2), les pannes jouant le rôle de buton ou de montant de poutre-au-vent se trouvent comprimées. Il importe, lors de la conception de la structure, de maîtriser les excentrements dans la transmission de ces efforts de compression. 1 2 5 4 6 3 1 Panne 4 Bracon 2 Traverse du portique de pignon 5 Excentrement 3 Potelet de pignon 6 Vent Attention : Si on veut éviter de mettre les potelets de pignon en compression, il faut prévoir des trous oblongs à grand axe vertical dans la liaison potelet/traverse. Figure 7.3 7.3 Conception en pignon générant un moment d’excentrement important dans la panne Charges d'exploitation Charges suspendues Le mode d’application des charges d’exploitation intérieures au bâtiment a une incidence sur la conception des pannes. Les charges suspendues à la semelle inférieure peuvent générer des contraintes locales qu’il convient de limiter autant que faire se peut : Page 24 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU ¾ Les charges gravitaires ont une composante suivant versant qui met en flexion latérale la semelle inférieure : pour limiter cette flexion, introduire ces charges au voisinage de liernes stabilisant la semelle inférieure. ¾ Les charges accrochées en extrémité de semelle provoquent la flexion de cette semelle (contrainte perpendiculaire aux contraintes de flexion générale, et cumulables dans une combinaison de Von Mises). Équipements posés sur la toiture Lorsque des équipements sont posés en toiture, il faut évidemment tenir compte des charges dues à leur poids pour le calcul des pannes. Il faut également évaluer l’incidence qu’ils ont sur les charges climatiques en toiture (accumulation de neige autour d’un équipement formant une excroissance par rapport au plan de la toiture, actions locales du vent, combinaisons neige + vent). Dans ce même paragraphe, on peut citer les lanterneaux éclairants en forme de voûtes, qui exercent en pieds de voûte une poussée suivant leur ligne d’appui (généralement horizontale). 1 1 Placer des tirants pour soulager les pannes Figure 7.4 7.4 Lanterneau Charges d’entretien Une charge en toiture qui est parfois oubliée pour le dimensionnement des pannes est la charge d’entretien. Elle peut avoir une incidence importante lorsque la couverture est multicouche avec étanchéité, dans la mesure où la charge d’entretien prend alors en compte un stockage en toiture de matériaux de remplacement lors des travaux de réfection. La charge d’entretien a alors, le plus souvent, une valeur par m2 supérieure à celle de la neige (avec laquelle elle n’est pas cumulable, car on suppose qu’on évite de réaliser des travaux significatifs en couverture par temps de neige), et peut donc avoir une incidence directe sur le dimensionnement des pannes. De plus, la charge d’entretien est locale : elle n’affecte qu’une seule travée de pannes continues, ce qui constitue un facteur aggravant pour le moment en travée et la flèche. Concernant la flèche des pannes, il faut bien prendre garde à ce que la charge d’entretien ne crée pas de contre-pente en couverture (les couvertures multicouches sont à faible pente), car, si on exclut le cumul charge d’entretien + neige, on ne peut en revanche pas exclure qu’une Page 25 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU forte pluie survienne en cours de travaux de réfection. La présence d’une contre-pente initie alors un phénomène d’accumulation d’eau. 7.5 Risques d'accumulation d'eau : fonte de la neige, pluie Les couvertures à faible pente (inférieure à 5%) sont sensibles aux phénomènes d’accumulation d’eau. L’EN 1993-1-3 prescrit d’ailleurs de les prendre en compte, mais sans indiquer comment. Exemple de scénario : sous l’effet d’une forte chute de neige, pannes et couverture se déforment. Si ces déformations sont telles que la pente sur couverture se trouve inversée, lorsque la neige fond, l’écoulement des eaux de fonte vers les descentes se trouve empêché et des flaques se forment. Plus la couverture et les pannes sont souples, plus les flaques sont profondes et étendues … La charge d’eau peut y devenir supérieure à la charge de neige, voire supérieure à la résistance des pannes. De plus, une succession d’épisodes chute de neige, fonte, chute de neige, fonte…n’est pas exclue et aggrave le phénomène. Il importe donc de concevoir un empannage suffisamment raide pour que l’écoulement des eaux de fonte de la neige soit toujours possible : pas de contre-pente sous les combinaisons de charges E.L.U. intégrant la charge de neige : c’est un des cas –rares – où il importe de vérifier un critère de déformation pour des combinaisons E.L.U. Autre exemple de scénario : lors de la réfection d’une couverture multicouche, pannes et couverture se déforment sous l’effet de la charge d’entretien. Si ces déformations sont telles que la pente sur couverture se trouve inversée et qu’une forte pluie survient, l’écoulement de l’eau vers les descentes se trouve empêché et le phénomène d’accumulation est initié… Il importe donc de concevoir un empannage suffisamment raide pour que l’écoulement des eaux de pluie reste possible dans de telles circonstances : critère de déformation à vérifier sous combinaisons E.L.U. incluant la charge d’entretien. Page 26 Phase avant-projet : Conception d'un empannage SS049a-FR-EU Enregistrement de la qualité TITRE DE LA RESSOURCE Phase avant-projet : Conception d'un empannage Référence(s) DOCUMENT ORIGINAL Nom Société Date Créé par P. Le Chaffotec CTICM 26/09/2005 Contenu technique vérifié par A. Bureau CTICM 26/09/2005 1. Royaume-Uni G W Owens SCI 23/05/06 2. France A. Bureau CTICM 23/05/06 3. Suède B Uppfeldt SBI 23/05/06 4. Allemagne C Müller RWTH 23/05/06 5. Espagne J Chica Labein 23/05/06 G W Owens SCI 27/09/07 eTeams International Ltd. 28/09/06 CTICM 10/05/07 Contenu rédactionnel vérifié par Contenu technique approuvé par les partenaires : Ressource approuvée par le Coordonnateur technique DOCUMENT TRADUIT Traduction réalisée et vérifiée par : Ressource traduite approuvée par : A. Bureau Page 27
