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Construire en acier

Concevoir etconstruire

Bases conceptuelles descharpentes mtalliques

steeldoc

tec 01

Documentation technique du Centre Suisse de la construction mtallique

I Introduction

1 Introduction 42 Acier du matriau louvrage 5

Transformation dun matriauNouvelles dimensionsSections minces vers la maison en verrePrfabrication et tout devient possiblePlasticit et ornement

II Bases conceptuelles

3 Le matriau de construction 10Proprits de lacier de constructionAvantages de la construction en acierPrdimensionnement des poutres

4 Les produits formes et applications 12Types de profilsProduits plats et autres profils

5 Etude des structures porteuses 14Structure du systme porteurStabilisation des structures porteusesChoix des lments de contreventementComportement des contreventements treillis

6 Poteaux 17Sections de poteauxDtails constructifs des poteaux

7 Poutres 19Types de poutresPoutres treillis

8 Dalles 22Disposition des conduitesTypes de dalles

9 Assemblages et joints de poutres 24Nuds entre poutres et poteaux en profilsAssemblages de poutres

10 Faades 2611 Ossature cadres 27

Cadres avec poutres en porte--fauxCadres poteaux continusOssature cadres spatiaux

12 Protection incendie 30Mesures de protection activesMesures de protection constructivesApplications des mesures protectrices

III Application architecturale

13 Btiments ossature 3214 Treillis et faade 3315 Treillis spatiaux 3416 Losanges et diagonales 3517 Structures en forme de champignons 3618 Plier et courber 3719 Aides la conception et bases de calcul 38

Steeldoc est la documentation darchitecture du Centresuisse de la construction mtallique. Elle parat quatre fois par anne en allemand et en franais. Les ditionsspeciales orientation technique comme la prsente sontgalement dits dans une srie spciale.

Stahlbau Zentrum SchweizCentre suisse de la construction mtalliqueCentrale svizzera per le costruzioni in acciaio

www.szs.ch

Table des matires

Centre de comptence en construction mtallique

Le Centre suisse de la construction mtallique SZS estune organisation professionnelle qui runit les entreprisesde construction mtallique et les bureaux dtudes lesplus importants de Suisse. Par ses actions, le SZS atteintun large public darchitectes, ingnieurs et matresdouvrage. Le SZS met disposition des informations tech-niques, encourage la recherche et la promotion delarchitecture en acier et sengage dans la collaborationtechnique au-del des frontires. Ses membres profitentdune vaste palette de prestations.

3Editorial

Construire en acier est un processus progressif. Ds les premiers pas,il faut penser la structure porteuse, des portes et des distancesentre poteaux. Car ici, tout est assemblage. Une fois une trame choisie,on conoit une ossature stable, compose de poteaux, de poutres etde contreventements, et qui servira de support aux planchers, aux murset lenveloppe du btiment. Aussi simple que ce processus puisseparatre, le choix des lments est bien plus difficile si on ne connatpas leur faon de fonctionner. Car il existe des poteaux, des poutres etdes planchers de toutes sortes et de toutes dimensions qui, assem-bls, devront composer un tout. Lassemblage des lments ne dfinitpas seulement le systme porteur mais lespace lui-mme. Ce que les anciens Grecs appelaient tektonik tait lart dassembler les l-ments porteurs et les lments qui dlimitent lespace en un ensemblenomm architecture.

Le prsent numro de Steeldoc est un cahier spcial consacr latechnique. Cest une premire dition de ce genre, sur le thme:concevoir et construire en acier. Lintroduction fait le point sur les pos-sibilits quoffre le matriau acier la cration architecturale hier et aujourdhui. Le texte sappuie en grande partie sur un article plusfouill de la plume dAlois Diethelm, paru dans le manuel ArchitekturKonstruieren dAndrea Deplazes publi aux ditions Birkhuser. La deuxime partie est consacre aux fondements de la conception,cest--dire la structure porteuse, les lments de construction et leur assemblage ainsi que la protection contre lincendie. Elle donneun aperu des principes de la construction mtallique et montre lesdtails les plus courants. En annexe, une bibliographie permet dappro-fondir le sujet. Diverses sources ont servi de base cette partie dont,en particulier, louvrage Conception des charpentes mtalliques de Manfred A. Hirt et Michel Crisinel (EPFL), ainsi que diverses publi-cations du SZS. Dans une troisime partie sont prsents des exem-ples de ralisations architecturales illustrant divers aspects de la cons-truction mtallique. Les textes sont galement dus en grande partie Alois Diethelm, tirs de louvrage dj mentionn, complts par desillustrations rcentes.

Cette dition est conue pour servir la conception douvrages enacier. Elle est destine montrer les principes de la constructionmtallique et inciter la dcouverte de nouvelles possibilits de sonutilisation dans larchitecture. Car tout matriau ne vaut que par ceque lon en fait comme disait dj Mies van der Rohe. A nos lecteurs,nous souhaitons une tude agrable et stimulante des pages quisuivent.

Evelyn C. Frisch

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1 Introduction

Evelyn C. Frisch

Virtuosit du geste: la coupolede la bibliothque juridique,Universit de Zurich (SantiagoCalatrava) , 2003

Construction multitage: La tour de la foire de Ble(Morger & Degelo) , 2002

Depuis toujours, la construction mtallique a t troite-ment lie lart de lingnieur et a trouv un langagearchitectural propre. Jetant un regard sur lhistoire delarchitecture, on peut affirmer juste titre que lacier larvolutionne. Aucun autre matriau de construction naexerc une influence aussi radicale sur la forme desouvrages et na confr aux structures porteuses une ex-pression plus pure. La rduction intelligente lessentieltait le point de dpart des Modernes. Dans les annes1950, elle a atteint un nouveau sommet avec le structura-lisme amricain. Lacier tait le matriau idal pour unnouveau type douvrages de grandes dimensions tels leshalles, les gares ou les grands magasins. Alors que lesModernes et lge industriel ont conduit une standardi-sation des formes, lart de lingnieur a insuffl une nou-velle lgance aux structures.

Aujourdhui, la construction mtallique signifie high-tech,conomie de matire, construction intelligente et formelgante. Elle est en relation beaucoup plus troite aveclart de lingnieur que les autres modes de construction.En construction mtallique, la distribution des efforts est la base de la conception. Aussi, lart de construire en acierse manifeste principalement dans la construction deponts, de halles et de toitures aux portes imbattables ouaux formes complexes. La collaboration entre diffrentsmatriaux, anciens ou nouveaux, comme le verre, lesmatires synthtiques, le bois ou le bton, vise lutilisationoptimale des proprits de ces matriaux. Ingnieurscomme architectes, loin de se limiter lutilisation dunseul matriau, sont toujours la recherche de nouveauxdfis dans le choix des solutions. Pour la constructionmtallique, la synergie entre les deux disciplines est detoute premire importance. Dinnombrables exemplesrcents attestent la virtuosit des ouvrages conus avecla collaboration des ingnieurs.

La construction mtallique et celle en bois ont quelquespoints en commun: la lgret des structures avec ses

avantages conomiques et cologiques, ainsi que les pro-blmes de protection incendie et la durabilit du matriau.En comparaison avec le bois, lacier peut se prvaloirdavantages tels que la rsistance leve des sections etles techniques dassemblage qui le prdestinent la rali-sation douvrages originaux de grandes dimensions. Laprotection incendie des structures en acier est aujourdhuibeaucoup plus simple quil y a quelques annes. Lesnouvelles prescriptions ouvrent la voie des solutions ola prsence de sprinklers est prise en compte. Dautrepart, les peintures intumescentes qui protgent lacier dela chaleur en cas dincendie sont dsormais valables despoints de vue esthtique et conomique.

Nombre de concepteurs considrent encore lacier commeun matriau consommant beaucoup dnergie. Pourtant,de nombreux progrs ont t accomplis dans ce domainedans les 40 dernires annes. Aujourdhui, en Europe,lacier provient raison de 90 % de matriaux recycls etil est trait par nergie lectrique. Ceci en fait un matriaude premier choix en matire dconomie des ressources.Ces arguments permettent la branche de se justifier enmatire dcologie. Le dveloppement du recyclage deslments de construction en acier et de la ferraille ainsique leur revalorisation laide dnergies renouvelables etgnrant peu de gaz carbonique, constituent les indicesles plus importants de dveloppement durable dans laproduction dacier. La construction en acier permet unemise en uvre rapide et efficace, une dure de vie impor-tante et une dmolition dans le respect de lenvironne-ment. Considrant sa dure de vie totale, un ouvrage enacier supporte la comparaison avec les autres modes de construction. Leur utilisation flexible est dj garantede leur longue dure de vie. Sur ce dernier point, toutefois,le facteur le plus important pour le dveloppement dur-able est la qualit architecturale du btiment. Car, unbtiment vit aussi longtemps quil est aim disait larchi-tecte Jean Nouvel, et lhistoire de larchitecture lui donne raison.

I Introduction

5Transformation dun matriau

Au cours de lindustrialisation, lacier a dabord trouv sonapplication dans le domaine de la construction de machi-nes, de vhicules et de navires. Puis il a donn naissance des formes architecturales inimaginables auparavant.Dans larchitecture des annes 1920, en particulier dans lecontexte du mouvement moderne Neues Bauen en Alle-magne, ceci a conduit une esthtique de machines, une logique dingnieurs aboutissant au minimum nces-saire. Ainsi, en 1923, Le Corbusier pouvait crire dansVers une architecture: Les ingnieurs font de larchitectu-re, car ils emploient le calcul issu de la nature, et leursoeuvres nous font sentir lharmonie.

Cette esthtique de machines se rfrait surtout au style,car la construction des maisons tait rarement conuecomme une production en srie et ainsi les aspects demontage et de dmontage ou des sollicitations dynamiquesdemeuraient secondaires. Le recours un seul matriau caractristique pour la production de machines et devhicules est loign de lunivers de la construction.Ouvrages massifs ou ossature constituaient, dj dansles cultures archaques, les deux formes possibles de laconstruction (cavernes ou tentes) et sont encore de nosjours les deux ples entre lesquels le btiment volue.Cette dualit historique explique pourquoi lapparition dunnouveau matriau, comme lacier, ne provoque pas unbouleversement en profondeur mais conduit plutt destransformations et des associations. Ainsi, par exemple,le bton arm a dabord appliqu les principes de la cons-truction en bois par les poteaux et poutres en bton, avantlapparition des dalles. De mme, dans le cas de lacier, les colombages mtalliques de la fabrique de chocolatMenier (1871/72) de Jules Saulnier ne diffrent de ceuxen bois que par leur section plus rduite. A la mme poque,les nervures de la coupole de la Bibliothque Nationale Paris (1875) dHenri Labrouste rappellent larchitecturegothique en pierre.

2 Acier - du matriau louvrage

Alois Diethelm

Parent de la constructionmtallique et celle en bois.Jules Saulnier: ChocolaterieMenier, Noisiel (France) ,1872

Dans ce contexte de tension entre construction massiveou ossature, lacier a donn naissance une forme mix-te o lautre matriau nest plus un simple remplissagesans fonction statique comme dans le cas des maisons colombages mais participe, part gale, la structureporteuse. On se rfre ici une combinaison de lacier et du bton o lacier continue former une ossature depoteaux et de poutres mais o la solidit ncessaire delouvrage est obtenue par une association avec le bton.Dans un rapport altern, les deux matriaux se compltent;des poutres en acier remplacent par exemple cellesen bton ou des tles nervures fonctionnent la foiscomme coffrage et armature. Des arguments statiques etphysiques plaident pour ces constructions dites mixtesacier-bton. Les dalles bnficient dune rpartition plusuniforme des charges et leur participation la portancedes poutres contribue la rigidit et une hauteur plusrduite de la structure. Par sa masse, le bton apporteune bonne isolation phonique et amliore surtout la rsis-tance au feu. Comme celle des profils en acier est cal-cule sur la base du rapport entre la surface non protgeet celle de la section, les parties o lacier et le bton sonten contact, diminuent la surface expose au feu. En outre,le bton, par sa teneur en eau, ralentit dans une mesureimportante lchauffement des lments de construction.

En raison de ses avantages mentionns et de sa mise enoeuvre rationnelle, la construction mixte acier-bton sest impose, en particulier pour les immeubles commer-ciaux et industriels tages. Considrant lassociation de divers matriaux comme une complmentarit, on d-couvre une fonction essentielle de lemploi de lacier danslarchitecture. Cependant, de nombreux difices parti-culirement des ouvrages dingnieur grande porte sont prdestins pour la construction pure en acier etpeuvent renoncer lassistance du bton.

Traduction dune structure depierre en une structure enfonte. Henri Labrouste: Biblio-thque Nationale, Paris, 1875

Revtement protecteur du po-teau en acier avec du ciment,construction mixte de la dalle.William LeBaron Jenney: FairStore, Chicago, 1890

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Nouvelles dimensions

Avant mme lapparition du bton arm, les excellentesproprits mcaniques de lacier avaient permis la cons-truction de btiments plus levs. Compars des dificesen pierre ou en bois, les btiments structure en acieront vu leur hauteur dabord augmenter de quelques ta-ges puis, par la suite, se multiplier. Lacier a ainsi cr lacondition pralable la construction dun type de btimententirement nouveau: limmeuble tour, dont le plan estmarqu par des cages descaliers et dascenseurs nces-saires au transport rapide du nombre dsormais accrudutilisateurs vers leur destination. En ce qui concerne lesfaades, grce des portes plus importantes, la construc-tion mtallique a autoris des fentres plus grandes, com-me ceci a t dmontr de faon impressionnante dans la deuxime moiti du XIXe sicle Chicago. Peu importesi lossature mtallique est laisse apparente ou si elle est dissimule derrire un enrobage, les fentres sten-dant du sol au plafond et de poteau poteau rvlent sansquivoque la prsence dune structure en acier.

A ct de cela, dautres difices ont vu le jour dont seulesles dimensions trahissent le recours des technologiesnouvelles. Enveloppes dun manteau en pierre avec destrous en guise de fentres, les faades de ces btiments ossature ne pouvaient pas tre distingues des dificesmassifs. Les praticiens de la construction industrielle envinrent rapidement considrer lacier, en particulier dansle cas de btiments levs, comme matriau de remplace-ment de la pierre et du bois, dont la rsistance touche ses limites partir dune certaine hauteur. Par la suite, la-cier en vint aussi remplacer des lments en bton, dontla ralisation aurait exig trop de matriau ou de travail.Le report des principes de la construction en bois, savoirdes poteaux lancs et raidis, vers la construction mtal-lique sest rpandu davantage dans les rgions pauvresen bois. Or, les structures utilisant les sections composesde tles minces prsentent des avantages vidents parrapport aux structures en bois: elles sont robustes et

Nouvelles dimensions des ouver-tures: Louis Henry Sullivan:Schlesinger & Mayer DepartmentStore, Chicago, 1904

demandent peu dentretien, ne se dforment pas etpsent moins. Ces qualits les prdestinent la surl-vation des btiments o leur poids rduit a toute sonimportance, mais restent galement prcieuses dans lecas de nouveaux btiments.

Dans le cas des grandes portes, la construction mtal-lique occupe toujours une position dominante, presqueexclusive. La toiture de vastes espaces, comme parexemple les aroports et les halles dexposition, est pres-que exclusivement ralise en acier. Larticulation finede ces structures porteuses devient un motif spcifiqueet cre par l un langage formel rserv la seuleconstruction mtallique. Sil sagit ddifices niveauunique, dans la plupart des cas ils nont pas besoin derevtement de protection incendie; au besoin, dessprinklers et une peinture protectrice seront employspour ne pas nuire lapparence du matriau de cons-truction, lacier.

Ossature en acier associ aubton coul sur place. Roland Rohn: Usine BBC, Baden, 1952

La structure porteuse en acierdisparat derrire lenduit.Wassili et Hans Luckhardt:Maison au Rupenhorn, Berlin,1928

I Introduction

Structure en acier dissimulederrire un mur. Diener &Diener: Vogesenschule, Ble,1994

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Sections minces vers la maison en verre

Si, dans le cas des immeubles tours, la section des poutreset poteaux en acier pouvait porter bien davantage et per-mettait des portes plus importantes, les protagonistes dumouvement Neues Bauen ont trouv dans lacier un moyende raliser des constructions plus lances. Pour cono-miser le matriau et rduire son poids, on a souvent placdes plaques lgres non porteuses entre les poteauxminces et on les a enduites des deux cts, y compris lespoteaux eux-mmes. Les btiments souvent dtachs dusol, avec des fentres au ras des faades, suggraientlimage de corps abstraits, sans pesanteur. Lossature enacier de ces btiments lgers napparaissait que ponc-tuellement. Lger est pris, ici, dans les deux sens: ausens physique, signifiant une optimisation dans lusage dumatriau, mais aussi au sens visuel. Ainsi, lacier servait la rationalisation de la construction en mme temps quil aconduit une architecture puriste et dans une large me-sure dmatrialise. Le contour caractristique des profilsmtalliques composs dune me et de deux ailes etlossature sont rests cachs derrire un revtement ext-rieur et intrieur; lemploi de lacier ne se manifestait que par une silhouette lance de la construction. Grce cela, comme la Lovell House (1927 1929) de Neutra,les poteaux ne se dtachent pas du cadre des fentres et permettent un vitrage de grandes dimensions et desfentres en bandeaux, qui, apparemment, nont mme pasbesoin dtre fixes une structure porteuse.

Le Crystal Palace (1851) de Paxton indiquait dj que lacombinaison avec le verre tait un moyen dexpression im-portant de la construction en fer, puis en acier. Les poutresgraciles en treillis et les vitres enchsses entre de mincesbaguettes de mtal ont assur un clairement qui auraitt impensable dans le cas dune excution en bois. 150ans aprs Paxton, la maison en verre reprsente encore comme aucun autre type de construction un dfi pourles architectes. Si lon observe les projets les plus rcentsdes architectes de diffrentes tendances, il apparat que,

en ce dbut du XXIe sicle, le verre est libr des combatsde tranches idologiques des annes 1990 (Berlin enpierre!) et nest plus lexpression dune seule conceptionarchitectonique. Ctait une vision encore utopique dans lecas du projet de Mies van der Rohe pour un immeubletour la Friedrichstrasse (1922), mais lindustrie du verrea rapidement mis sur le march des baies de grandesdimensions sans croisillons rpondant au dsir de paroisquasiment dmatrialises.

La plupart de ces maisons en acier et verre ntaient habi-tables quen recourant des installations coteuses dechauffage et de climatisation. Dans les annes 1980, aprsla crise du ptrole et en raison dune prise de consciencecologique plus aigue, il ne semblait plus y avoir davenirpour la maison de verre. Aujourdhui, il existe des concep-tions nergtiques alternatives selon lesquelles le verreest utilis comme collecteur pour la rcupration de lachaleur du rayonnement solaire. Les architectes tant dis-poss apporter une protection extrieure contre lesoleil, et grce des verres dont le coefficient disolationpeut atteindre une valeur de U = 0,4 W/m2K, la maison enverre est, plus que jamais, dactualit. Le verre hautementisolant a rouvert un champ qui paraissait dj abandonn,celui de lossature dacier visible de lintrieur comme de lextrieur. La couche isolante recouvre alors le btimentcomme un voile transparent et nous approche de ce queMies van der Rohe appelait une architecture de peau etdos, mais que lui-mme, pour des raisons techniques, napas pu raliser au degr o cest aujourdhui possible.

Le remplissage de lespace entre les poteaux par despanneaux ou des fentres a marqu lImmeuble Clart deLe Corbusier Genve, tout comme de nombreux bti-ments industriels de la premire moiti du XXe sicle.Aujourdhui, en raison dexigences thermiques, ce remplis-sage entre poteaux laisss apparents nest plus possiblesans autre. Car, loppos du bois, bon isolant thermique,lacier est conducteur de la chaleur. Toutefois, il faut noter que les profils visibles en faade de btiments in-

Les fentres sont placesdans lossature en acier commedes panneaux. Le Corbusier & Pierre Jeanneret: ImmeubleClart, Genve, 1932

Les poteaux en acier ne sedtachent gure du chssisdes fentres. Richard Neutra:Lovell House, Los Angeles,1927 1929

La maison en verre est unthme rcurrent au XXe sicle.Ludwig Mies van der Rohe:Farnsworth House, PlanoUSA) , 1945 1950

dustriels font souvent partie dune structure secondairelaquelle ne porte que le revtement (une paroi en briques,par exemple) . Dans ce sens, les divisions de la faadeindiquent souvent une structure porteuse qui se trouveimmdiatement derrire elle. Remplissage et revtementforment aussi une unit lorsque la dimension des lmentscorrespond la trame de lossature. Si les poutres et po-teaux de cette dernire sont recouverts, on a rpondu lattente selon laquelle le mode de construction choisi doitmarquer laspect du btiment.

Prfabrication et tout devient possible

La prfabrication a marqu la construction mtallique.Dans latelier de lentrepreneur, les profils sont scis,coups, percs et parfois incurvs; dautres lments sontdcoups dans les tles et souds pour former des pout-res. Pui, des lments de raccord sont souds et pour finirla protection contre la corrosion est applique. Pour le

montage sur le chantier, lassemblage boulonn est prfrcar les conditions ne sont pas optimales pour le soudage,et les ajustements durant le montage pourraient endom-mager la protection contre la corrosion (couche de phos-phate de zinc avec couche de finition ventuelle ou zingage chaud). Ce procd permet en mme temps un dmon-tage facile, ce qui peut expliquer le recours frquent la construction mtallique pour les btiments temporaires.

La prfabrication ninfluence pas seulement la structureporteuse mais aussi son enveloppe. Le potentiel des tlesminces munies dun revtement dusine est li la possi-bilit dobtenir, par pliage et courbage, une stabilit quedautres matriaux ne peuvent atteindre que par des raidis-seurs et supports surajouts. La mise en forme par lami-nage ou par pliage est une opration effectue en usinepar des machines ; toutefois, elle est suivie doprationsultrieures, par exemple : dcoupage, pliage, courbage,soudage et des traitements complmentaires de surfaces.La prfabrication simplifie le droulement des travaux de construction, abrge la dure des chantiers et permetla production de grandes sries. Les panneaux de faadesont livrs sur le chantier comme des units fonctionnellestoutes prtes ou bien ils y sont assembls dans le cadredune prfabrication partielle (prfabrication par couches) .

La construction en acier est donc, dans une large mesure,une fabrication en usine. Cest aussi la raison qui expliquela recherche prcoce de la normalisation, que ce soit auniveau dun seul ouvrage ou par le dveloppement de toutun systme de construction, comme USM Haller, parexemple. Dans le premier cas, la rptition permet seule-ment une fabrication avantageuse ; dans le second cas,les lments sont interchangeables et permettent desextensions. En outre, le systme de construction nest pasli un type de btiment spcifique.

Les soudures ralises la main ncessitent un solidesavoir-faire professionnel; Appareil doxycoupage com-mande numrique CNC; Pose dun panneau sandwichprfabriqu.

Transparence maximal et con-sommation minimale dnergie:Maison dhabitation de WernerSobek, Stuttgart 2003

steeltec 018

I Introduction

9Plasticit et ornement

Dune part, la construction mtallique recourt souvent une structure orthogonale; dautre part, elle peut aussicrer des volumes de forme quelconque par lassemblagede barres. Comme un dessin linaire, les volumes tridi-mensionnels, comme ceux de larchitecte Frank Gehry, sontdcomposs en barres droites ce qui permet de rduireles dformations concaves ou convexes ainsi que les tor-sions et les rductions une forme simple et conomique.Comme les barres qui dessinent la forme complexe nesuivent pas partout le flux des efforts, des lments sup-plmentaires de compression et de traction doivent treajouts, lesquels se mlangent au Balloon Frame derrirele voile dun revtement homogne. Compte tenu descritres conomiques, une telle souplesse est impensableavec un autre matriau. Que lon pense seulement au cof-frage du bton, coteux et utilisable une seule fois. Lacierse rvle donc tre le matriau qui rend tout possible.Avec laide de linformatique dans la conception et la fa-brication, des formes architectoniques nouvelles voient lejour qui rendent caduques nos ides reues sur la sculp-ture et la pesanteur. Grce linformatique, les formes or-thogonales ne sont plus la condition par excellence dunestructure conomique et de nouveaux espaces pour des muses et des salles de concert sont rendus cono-miquement possibles.

A la souplesse ludique et lordre cartsien, il faut encoreajouter un troisime lment: la diagonale, soit le poteauoblique. La toute rcente redcouverte des diagonales ne semble rien devoir au hasard. Aprs le minimalisme r-ducteur des annes 1990 et, suite un soudain mouve-ment de libration, lopulence tendant au rejet de toutelimite a prfr les structures porteuses scartant de lor-thogonal et a voulu associer lobjectivit une nouvellejoie la dcoration. Jadis, les structures mtalliquestaient dcoratives grce leurs assemblages rivets queleur ncessit technique a fait accepter par les puristesmmes.

En ce dbut du XXIe sicle, la structure mtallique etlornementation constructive se rejoignent de nouveau. Aucentre de lattention, cependant, ce ne sont pas les as-semblages mais les structures elles-mmes qui se librentde la domination de langle droit et, pour des raisonsstatiques, conomiques et architectoniques (constructionslances) , sont ralises surtout en acier. Ces structuresnont pas besoin de possder un caractre ornemental ltat de gros-oeuvre, mais elles peuvent inspirer les l-ments de finition. On entend par l la saisie dune formeconditionne par la structure, laquelle par la suite changedchelle dans la faade et, rpte, sera perue commeun ornement.

A titre dexemple, mentionnons deux difices rcents dontla faade a des ouvertures en forme de losanges et o la structure porteuse est forme de poteaux inclins. Apremire vue, les deux se ressemblent. Dans le cas delEpicenter Store de Prada Tokyo (Herzog & de Meuron,2003), larticulation fine de la faade correspond latrame de la structure porteuse derrire elle, alors que dansle cas de la Swiss Re Tower Londres (Norman Foster,2004), elle en est une rduction. Dans le premier cas, untage comprend deux losanges en hauteur, alors quedans le second, un seul losange de la structure stendsur quatre tages. Dans les deux cas, la grille de la faadeconstitue un corset rigide lequel dispense le noyau de lafonction de raidisseur. Les formes irrgulires peuventtre obtenues par dautres voies que des structures spci-fiques dont lossature a besoin dune enveloppe: losangeset triangles constituent une alternative au module ortho-gonal conventionnel. *

* Cet article est bas sur un texte de lauteur paru dans le manuelArchitektur Konstruieren (voir bibliographie) et il a t adaptet mis jour par la rdaction.

Derrire les volumes sculptsse trouve une ossature m-tallique. Frank O. Gehry: Muse Guggenheim, Bilbao,1997

Les formes mouvementessont traduites en une grillelinaire. Frank O. Gehry: Muse Guggenheim, Bilbao,1997

La taille des losanges estadapte la forme du bti-ment. Foster & Partners: SwissRe Tower, Londres, 2004

Structure porteuse et articu-lation du vitrage sont iden-tiques. Herzog et de Meuron:Epicenter Store Prada, Tokyo, 2001

10 steeltec 01

Proprits de lacier de construction

Lacier, comme matriau de construction, se distingue parun comportement lastique avec une rsistance et unerigidit leves. Ainsi, lacier supporte des contraintes trsleves la traction comme la compression, jusqu salimite dlasticit.

Si, lors de sollicitations en traction, en compression ou enflexion, la limite dlasticit est dpasse, lacier se com-porte de manire plastique. Il en rsulte trois atouts: liber-t de choix dans les formes, rserve de rsistance grce un rquilibrage des contraintes entre les lments, un comportement accommodant sans fissures en cas desurcharge. Aprs de telles sollicitations, lacier se compor-te de nouveau de faon lastique.

Grce des procds de fabrication industriels strictementcontrls, le matriau acier possde des proprits uni-formes. Lacier est facile travailler de diverses manires:dbit par sciage, cisaillement ou oxycoupage, les l-ments peuvent tre poinonns, percs, bords, enroulsou courbs, assembls par diffrents procds de sou-dage, meuls et munis dune couche protectrice.

Le comportement la corrosion de lacier est favorable parle fait quil rouille lentement et bien visiblement sur lasurface; divers traitements confirms de protection contrela corrosion sont disposition.

En raison de la conductivit thermique leve de lacier,les ponts thermiques ne peuvent pas tre ngligs et, bienque lacier ne soit pas combustible, il perd de sa rsistan-ce temprature leve, do la grande importance de saprotection contre lincendie.

Les avantages cologiques de lacier, matriau robuste et entirement recyclable, sont dcisifs: il admet de nom-breuses rutilisations sans perdre de ses qualits etsadapte sans problme des applications nouvelles.

3 Le matriau de construction

Avantages de la construction en acier

La construction mtallique offre dimportants avantagespour la conception, la ralisation et lutilisation:

grande libert grce aux structures filigrans et lgresqualit constante du matriau et dtails de constructionstandardissutilisation optimale de lespace grce aux grandesportes et aux sections rduites des lmentsstructures porteuses ares et tolrances rduitesfacilitant la mise en place des installations techniqueset des lments du second-uvrefacilit dadaptation aux changements daffectationgrce des assemblages dmontables et lintgrationde nouveaux lments et installationsgrand choix de couleurs grce aux revtements protec-teurs contre la corrosion et lincendieconomies importantes grce au poids rduit de lastructure et des fondations minimales chantier sec et peu bruyant, ne ncessitant quun espacerduitmontage rapide, indpendant des conditions atmos-phriquescologie exemplaire: valeur de recyclage leve,possibilit de dmontage, rutilisation

Grandes portesLes structures planchers en acier permettent des gran-des portes avec peu de poteaux intermdiaires et, par l, une division flexible de lespace. Avec laccroissementde la porte, la hauteur de la poutre et/ou lpaisseur des ailes doivent tre augmente. La grande porte desplanchers mne un systme de poutres deux, voire troisniveaux superposs. Par la combinaison de divers typesde poutres, on recherchera une solution optimale.

355

[%]

360

510

25

235

S 355

S 235

1

[N/mm2]

1510.1

E = 210 000 N/mm2

Diagrammes contrainte-dfor-mation des aciers S 235 et S 355, avec limite dlasticitde, respectivement, 235 et355 N/mm2

Centre de culture et de congrs Lucerne (Jean Nouvel) , 1999.Porte--faux: 35 m, en diago-nale: 45 m. Hauteur des poutres:3,7 m au maximum.

II Bases conceptuelles

11

2.00

hauteur dellment (m)

1.50

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

1.60

1.70

1.80

1.90

0.10

0.20

0.30

0.40

0.60

0.70

0.80

0.90

0.50

0.00

5 6 7 8 90 1 2 3 4 16 17 18 19 21 22 23 2411 12 13 1410 15 20 25porte(h/l)

1/12

1/15

1/18

1/24

1/36

Profils IPE, HEA 10 m 1/18 1/36

Profils IPE, HEA, HEB 6 15 m 1/15 1/24

Prdimensionnement des poutres en acierIl faut choisir une hauteur importante pour des poutres simplesfortement charges; une hauteur faible convient aux poutrescontinues faiblement charges ainsi quaux poutres mixtes o ladalle en bton contribue la rsistance de lensemble. Autreslments intervenant dans le choix de la hauteur des poutres:type dassemblage, conduites ncessaires, hauteur du btiment,surdimensionnement ncessaire la rsistance au feu, change-ments futurs dans lutilisation.

Prdimensionnement des poteaux en acierLes Tables de dimensionnement C4 du SZS permettent la dfini-tion directe des profils pour les poteaux soumis compressioncentre, condition que les forces agissantes et les longueursde flambage soient connues.

(Source: M. Dietrich: Ecole dingnieur Burgdorf, 1990)

Prdimensionnement des poutres en acier

Estimation des dimensions des lments lors de la conception

Elment porteur porte (m) h/l

Poutres alvolaires IPE, HEA, HEB 8 20 m 1/12 1/18Poutre compose me pleine > 12 m

Poutres treillis > 10 m 1/10 1/15

domainedutilisation

12 steeltec 01

1 2 3 4 5

7 8 9 10 11

13 14 15 16 17 18

6 12

Cornires et profils taille rduiteprofils courants pour destravaux de serrurerie (mainscourantes, avant-toits, portes,fentres, etc.)

Profils larges ailesHEA, HEB et HEM

Profils normauxINP et UNP

Profils avec ailes paralllesIPE, UPE et IPET

Profils creux (carrs,rectangulaires et ronds)

Ronds et carrs RND et VKT

Types de profils

En raison de leurs larges ailes, ces profils conviennent galement aux sollicitations excentres (flexion simultaneselon les deux axes) . Attention: la dsignation du profil ne correspond la hauteur relle de la section que dans la srie HEB, par exemple HEB 200.

Les profils normaux sont un peu plus avantageux que ceux avec des ailes inclines. Ceux-ci conviennent auxconstructions soudes. Les profils ailes inclines sont rarement employs pour les constructions boulonnes.

Les profils IPE ont une section lance et sont employs surtout comme poutres sollicites en flexion (en raisonde ltroitesse de leurs ailes, ils conviennent moins comme barres comprimes) . Les profils UPE sont parfoisemploys par paires, ce qui vite les torsions provoques par leur asymtrie. Les profils IPE diviss en deux parlentrepreneur (IPET) sont employs dans les treillis et comme croisillons dans les toitures vitres. Les profils UAP, semblables aux UPE, ne sont plus produits.

Les profils creux sont utiliss principalement comme poteaux et pour des treillis, car ils sont idals pour sollicitationcentre. Compars aux profils HEA, les profils creux ont une superficie lgrement plus rduite (moins peindre) .Leur diamtre extrieur reste le mme, indpendamment de lpaisseur de leur paroi (graduation invisible) . Ondistingue entre profils usins froid (RRK, lger et avantageux) et ceux usins chaud (RRW, rsistant mieux auflambage, pesseur accrue dans les zones dangle) .

Les ronds et les carrs sont utiliss principalement comme tirants, dans le cas de larges sections aussi en compres-sion, par exemple dans les poteaux mixtes (protection incendie) .

1 cornire bords arrondis, ailes gales2 cornire bords arrondis, ailes ingales3 profil section en T bords arrondis, me lance4 profil section en U5 profil section en Z profil normal6 fers plats7 cornire bords tranchants, ailes gales

8 cornire bords tranchants, ailes ingales9 profil section en T bords tranchants

10 profil en U (coulisse)11 profil section en Z bords tranchants12 tubes pour main courante13 cornire lamine froid, ailes gales14 cornire lamine froid, ailes ingales

15 profil section en U lamin froid16 profil section en Z lamin froid17 profil section en chapeau

lamin froid18 profil section en C lamin froid

4 Les produits formes et applications

II Bases de conception

13

Ronds et carrsRND RND 10 ( 10 mm) 0,6 kg/m RND 500 ( 500 mm) 1540,0 kg/mVKT VKT 10 (6 mm x 6 mm) 0,3 kg/m VKT 200 (200 mm x 200 mm) 314,0 kg/m

Les produits plats (par exemple tles) sont lamins. Ils sontlivrs en largeur standard ou la demande, les largeursen stock sont en gnral limites 2000 mm. Lpaisseuratteint jusqu 100 mm pour les produits lamins chaudet jusqu 3 mm pour les tles lamines froid. Celles-cipeuvent tre mises en forme par profilage (tles profilespour les applications dans les domaines des planchers et des faades) et sont souvent galvanises lusine et lecas chant prlaqus.

Dsignation Dimensions minimales (h x b) Dimensions maximales (h x b)

Produits plats et autres profils

Les produits plats sont souvent utiliss pour des cons-tructions soudes sections varies. La publication steel-work C5 Tables de construction du SZS contient unevue densemble de tous les profils usuels en Suisse.Dautres listes de profils peuvent tre tlchargs dusite Internet de la Convention europenne de la construc-tion mtallique (www.steelconstruct.com) ou demandsauprs des marchands dacier suisses (voir www.szs.ch) .

Profils larges ailesHEA srie lgre HEA 100 (96 mm x 100 mm) 16,7 kg/m HEA 1000 (990 mm x 300 mm) 272,0 kg/mHEB srie normale HEB 100 (100 mm x 100 mm) 20,4 kg/m HEB 1000 (1000 mm x 300 mm) 314,0 kg/mHEM srie renforce HEM 100 (120 mm x 106 mm) 41,8 kg/m HEM 1000 (1008 mm x 302 mm) 349,0 kg/m

Profils normauxINP INP 80 (80 mm x 42 mm) 5,9 kg/m INP 550 (550 mm x 200 mm) 166,0 kg/mUNP UNP 65 (65 mm x 42 mm) 7,1 kg/m UNP 400 (400 mm x 110 mm) 71,8 kg/m

Profils avec ailes paralllesIPE IPE 80 (80 mm x 46 mm) 6,0 kg/m IPE 600 (600 mm x 220 mm) 122,0 kg/mIPET IPET80 (40 mm x 46 mm) 3,0 kg/m IPET 600 (300 mm x 220 mm) 61,2 kg/mUPE UPE 80 (80 mm x 50 mm) 7,9 kg/m UPE 400 (400 mm x 115 mm) 72,2 kg/m

Profils creuxRRW / RRK carr RRW 40 x 40 (40 mm x 40 mm) 3,4 kg/m RRW 400 x 400 (400 mm x 400 mm) 191,0 kg/mRRW / RRK rectangulaire RRW 50 x 30 (50 mm x 30 mm) 3,6 kg/m RRW 400 x 200 (400 mm x 200 mm) 141,0 kg/mROR rond ROR 21.3 ( 21.3 mm) 0,9 kg/m ROR 813 ( 813 mm) 159,0 kg/m

14 steeltec 01

5 Etude des structures porteuses

Structure du systme porteur

Le systme porteur dune construction mtallique estcompos de barres en acier qui forment lossature. Celle-ci a uniquement une fonction porteuse, pas celle desparation despaces. Cependant, elle permet la fixationdlments qui, eux, ont cette fonction de sparation. En gnral, lossature est compose de poutres horizon-tales et de poteaux verticaux. Pour garantir la stabilit deldifice, sy ajouteront, selon les besoins, des lmentsstabilisateurs comme des diagonales, des cadres rigidesou des panneaux.

Le choix dune trame dterminera la distance entre pote-aux et poutres et les portes. Des portes entre 6 et 18 msont conomiques, allant dans des cas spciaux jusqu30 m. Dans les btiments tages multiples, les poteauxsont situs normalement aux noeuds de la trame. Une

trame rectangulaire rpond au mieux aux exigences duneossature en acier et permet la ralisation de constructionsplus conomiques quune trame aux champs carrs. Lestrames angles obliques sont galement possibles. Latrame de la structure porteuse est en relation mutuelle avecla trame secondaire des lments sparateurs et les ins-tallations techniques. Elle est dtermine selon la fonctiondu btiment (charges, espaces libres destins lutili-sation, installations ncessaires) et des conditions cadresdictes par la fabrication, le transport et le montage deslments.

Trame de la structure dans un btiment tages deuxniveaux de poutres

1 Solive2 Sommier3 Bord de dalle

2

1

3

4

2

3

1

Trame de la structure dansun btiment tages unniveau de poutres

1 Poteau2 Solive3 Cloison4 Bord de dalle

(Plans: Conception des charpentes mtalliques, EPFL)

II Bases de conception

15

Planchers dun btiment tages avec 3 degrs de libert de dplacement. Elments stabilisa-teurs verticaux, au moins 3 (ou mieux 4) dans un btiment tages: variantes de dispositiondans le plan des faades ou dans le noyau.

Choix des lments de contreventement

Le genre de contreventement et leur disposition exercentune grande influence sur lutilisation de lespace et lagen-cement des faades et, de ce fait, ils doivent tre dter-mins ds le dbut des tudes. Il est souvent avantageuxde placer les lments stabilisateurs dans les parois ex-trieures du btiment ce qui laisse toute libert dans luti-lisation des surfaces. Les contreventements treillis sontusuels en construction mtallique, permettant dajuster la structure lors du montage. De toute faon, il faut tenircompte de la prsence des noyaux centraux. Les cadresrigdes sont pricipalement utiliss pour des btiments un tage avec un maximum de libert dutilisation, mais ilssont plus passifs et donc plus chers.

Les diffrents lments stabilisateurs sont favorablesdans les cas suivants:

Contreventement treillis dans le cas de treillis verticaux lgers et grande

porte si les ascenseurs et les escaliers ont une structure

ouverte ou sont prvus lextrieur de limmeuble si le contreventement par les lments massifs

disponibles est insuffisant.

Murs et noyaux massifs sils sont suffisants eux seuls sil ny a pas de place suffisante pour des treillis

dans lossature

Contreventement par des cadres rigides si on attribue de limportance une transparence

maximale en labsence de murs porteurs dans le cas ddifices de dimensions modestes,

un seul niveau

Stabilisation des structures porteuses

Les diffrents lments (poutres, poteaux, etc.) doiventtre assembls pour former une structure spatiale devantassurer la transmission des forces horizontales aux fon-dations et ainsi prter au btiment scurit, rigidit etstabilit. Les forces horizontales sont dabord transmisespar les planchers aux contreventements verticaux. Cesderniers sont forms de structures en treillis, de murs de refend ou de cadres rigides. En vue dun comportementoptimal en cas de sismes, ces lments stabilisateursdoivent tre disposs, si possible, de faon symtrique.

Disposition des contreventements dun btiment tages et dune halle

Risque de torsion! Centre de cisaillement

16 steeltec 01

Comportement des contreventements treillis

Statiquement, les contreventements verticaux sont despoutres flchies, plus prcisment des treillis en porte--faux encastrs dans le sol (a) . Les contreventementstroits conduisent dimportantes forces dans les barres.Les barres subissent des variations de longueur, engen-drant des dformations (b) . Les contreventements largessont plus rigides et plus lgers grce des efforts dansles barres moins importants (c) . Une relation raisonnableentre hauteur et largeur du contreventement (1:5 1:7 au max.) permet des assemblages simples des barrestout en gardant une rigidit suffisante. La rigidit duncontreventement troit peut tre nettement amliore enintroduisant une poutre treillis horizontale dispose entreles poteaux de faade et agissant en forme de cadrerigide (d) .

Contreventement verti-cal dun immeuble 8tages, Arcelor Esch(Luxembourg)

a b c d

Comportement et rigidit des contreventements verticaux

Formes possibles des contreventements verticaux

Contreventements verticauxe) Losanges (longueur de flambage rduite)f) Croix (barres tendues lances)g) Treillis en Kh) Cadres treillis (chers, viter)i) Cadres rigides (chers, viter)

Pour les barres de treillis tous les profils quon peutemployer pour les treillis boulonns conviennent: tubes,cornires simples, doubles ou croises, profils section en T, des profils HEA, HEB, UNP, UPE.

Pour des treillis tirants croiss, on peut galement utili-ser des fers plats ou ronds, voire ventuellement descbles; ces lments ne reprennent que des forces detraction.

e f g h i

II Bases de conception

17

Les charges verticales dun btiment sont reprises par despoteaux en acier et parfois par des murs en bton. Pourune distribution conomique des poteaux, il faut disposerdune vue densemble. Selon lutilisation du btiment, lespoteaux intrieurs peuvent tre considrs comme desobstacles. Pour cette raison, il faut opter pour une disposi-tion qui nentrave pas lexploitation. Pour des raisonsconomiques, il faut choisir des sections aussi rduites etun espacement aussi grand que possible pour les poteauxintrieurs. Par contre, des poteaux rapprochs le long desparois extrieures reprsentent un avantage car ils peu-vent tre intgrs dans la faade sans y imposer des mon-tants supplmentaires. En outre, ils offrent une possibilitde raccordement pour des cloisons intrieures.

Les poteaux en acier ont, en gnral, une section beau-coup plus rduite que ceux en bton. Ils occupent peu desurface au sol, ce qui contribue un rapport avantageuxentre surface totale et surface utile. Pour les charges de1120 kN ou 5600 kN (valeurs de dimensionnement) , unecomparaison entre les dimensions de poteaux en bton et en acier est donne ci-contre. En y ajoutant des sectionsmixtes acier-bton de dimensions comparables, la sectionen acier peut demeurer visible, sans revtement.

Sections de poteaux

Nd = 1120 kN

Nd = 5600 kN

Poteaux bton Poteaux acier

Comparaison entre poteaux qui-valents en bton et en acier

Conditions gnrales:Longueur de flambage LK = 3 m Bton C 20/25Armature m = 0,6 %Acier S 355Rsistance au feu R 60

6 Poteaux

Sections en la forme la plus courante et la plus conomique convient particulirement bien au raccordement de poutres dans les

deux directions toutes les parties se prtent aux assemblages boulonns btonn, comme section mixte, capacit augmente, rsistance au

feu jusqu R 90

Sections en caisson rectangulaires et sections massives en acier conviennent pour des poteaux avec fortes charges, flchis selon les deux

axes, grandes longueurs de flambage, section de dimensions rduites en raison de la surface extrieure lisse, prfres sans enrobage,

rsistance au feu R 30 pour des sections pleines partir de 80 mm

Profils lamins creux les artes arrondies donnent une image rassurante les caractristiques mcaniques des profils de dimensions extrieures

identiques peuvent tre gradues par la variation de lpaisseur des parois lintroduction des forces ncessite des mesures constructives spciales le remplissage en bton augmente la rsistance mcanique et la rsistance

au feu (avec armature longitudinale pour R 60 /R 90)

Poteaux composs de plusieurs sections conviennent si le sommier doit tre plac entre les deux moitis du poteau,

ou si les conduites places dans le poteau doivent demeurer accessibles dimensions extrieures plus grandes que dans les autres cas dcrits plus haut trsillons ncessaires pour la rsistance au flambage

Protection antibruit, (Mario Botta) , Chiasso, 2004

250170

130

300250 220

25

0

170

130

30

0

25

0

22

0

330

33

0

680

68

0

18 steeltec 01

Appui encastr

Appui articul

Formes spciales: mts com-poss (poste de douanes Kreuzlingen-Konstanz); poteaux oscillants inclins(Airside Center, aroport deZurich) , droite: appuisarticules

Dtails constructifs des poteaux

Cas spcial

Tte de poteau articule Tte de poteau en forme de champignon, encastre dans la dalle du plancher(contre le poinonnement de la dalle) avec variantes de bord de dalle

Raccordement dune poutre un poteau

articul, avec gousset avec cornire double rsistant la flexion, avecplaque frontale

goussets sur les tubes

II Bases de conception

19

On appelle poutres les lments porteurs horizontaux qui transmettent les charges des planchers et de la toiturevers les appuis. Dans le choix des poutres en acier, enplus de considrations dordre statique et constructif, ilfaut tenir compte:

des conduites situes dans la zone des planchers des conditions dclairage de lapparence de la protection contre lincendie

7 Poutres

Profils lamins larges ailes HEA, HEB, HEM Poutres pour reprise defforts importants, avec hauteur minimale videments de lme possibles dans une mesure limite, = 0,5 H maximum portes recommandes: de 4,5 jusqu 7 m maximum (planchers) hauteur des poutres H = 1/18 (poutres simples) jusqu 1/30 de la porte (poutres continues)

Poutres ailes troites IPE profil conomique videments possibles: = 0,5 H maximum portes recommandes: jusqu 9 m (planchers) , jusqu 16 m (toitures) hauteur de la poutre H = 1/15 (poutres simples) jusqu 1/24 de la porte (poutres continues)

Poutres alvolaires fabriques partir de profils IPE, HEA ou HEB pour des conduites jusqu un diamtre denviron 40 cm ( = 0,7 H maximum) avantageuses pour la reprise de moments de flexion importants dans le cas

de grosses portes possibilit dagencement simple (surlvation, courbures, votes) dans la zone des poteaux, il faut viter les videments, voire les refermer portes recommandes: jusqu 12 m (planchers) , jusqu 20 m (toitures) hauteur des poutres: H =1/16 de la porte

(b)

(Plans: Conception des charpentes mtalliques EPFL)

Types de poutres

(a)

(d) (e)

(k) (l)

Profils en U utiliss comme poutres de rive de plancher (charges rduites) peuvent tre jumels et utiliss comme poutres moises de plancher,

fixes aux cts des poteaux plusieurs moyens constructifs peuvent servir viter la torsion des profils portes recommandes: jusqu 9 m (planchers) , jusqu 16 m (toitures) hauteur de la poutre H = 1/15 (poutres simples) jusqu 1/24 de la porte (poutres continues)

20 steeltec 01

Centre Paul Klee, Berne:forme libre et grandes portesavec des poutres composes

Poutres mixtes acier-bton La poutre en acier collabore, grce aux goujons tte souds, avec la dalle en

bton ou mixte (bton sur tle profile); le bton travaille surtout en compressiondue la flexion de lensemble.

tous les types de profils dcrits peuvent tre concerns lment porteur relativement rigide, permet en mme temps de rduire la hauteur

de la poutre

Poutres composes lme pleine tles assembles par soudure videments importants possibles: = 0,7 H maximum agencement simple (surlvation, hauteur variable) portes recommandes: plus de 12 m (pour des toitures, en particulier) hauteur des sections: H = 1/12 (poutres simples) jusqu 1/24 de la porte

(poutres continues)

Sections mixtes typiques

Les poutres Davex, par leursbords tranchants et leur ap-parence lgre, ouvrent de nou-velles possibilits dutilisationdans larchitecture. Informationsur le site www.d-a.ch

Formes particulires Les poutres Davex sont assembles par sertissage, donc sans soudure. Semelles

et me peuvent avoir des paisseurs diffrentes et la section peut ainsi tre optimise.On peut raliser diffrentes gomtries et mme utiliser pour lme des matriauxdiffrents: mtaux ou matires synthtiques.

Utilisation pour des lments apparents peu sollicits: faades, balcons, pavillonsdexposition, escaliers, etc.

(Plans: Conception des charpentes mtalliques, EPFL)

II Bases de conception

(f)(h)

21

Poutres treillis

Les poutres treillis sont utiliss lorsque la porte ducadre est grande ou pour les couvertures de halles avecune forme spciale. Les poutres treillis peuvent trecomposes de divers profils. Pour les membrures, on uti-lise des doubles cornires, des profils section en T ouH, pour les barres aussi des cornires doubles ou simplesou encore des profils creux; dans le cas des membruresen T, on peut souvent renoncer aux goussets.

Exemples de poutres treillisavec membrures parallles ou non parallles

Fermes en treillis triangules

Poutre de la toiture de lAirsideCenter, aroport de Zurich:deux sries de poutres treillis croises. A droite: pontpitonnier en Malaisie (PrixAcier 2005)

Les avantages des poutres treillis sont: passage facilit des conduites structure relativement rigide agencement simple (surlvation, formes libres) portes recommandes: au-del de 9 m jusqu 18 m

(planchers) voire jusqu 100 m (toitures) hauteur des poutres: H = 1/10 (poutres simples)

jusqu 1/18 de la porte (poutres continues)

Avec la poutre Vierendeel, onpeut supprimer les diagonales,car toute la construction esttrs rigide. Ce systme est pluslourd, mais permet une circu-lation libre.Exemple: poutre treillis avecVirendeel

22 steeltec 01

Pour la disposition des poutres, il y a diffrentes solutionspossibles; elles peuvent tre parallles ou croises. Dans ce dernier cas, les nappes peuvent tre superposesou encastres lune dans lautre. Le choix dpend de lahauteur disponible et des conduites placer.

Disposition des conduites

Une ossature dacier are facilite la disposition desconduites desservant le btiment, dans le sens horizontalcomme vertical, et permet des modifications ultrieures.Structure porteuse et installations sinfluencent mutuelle-ment. La disposition des conduites est souvent dcisivedans le choix de la structure de la dalle. Pour lquipementtechnique avantageux du btiment, une disposition simpleet claire des conduites est de grande importance. Commeles distributions horizontales sont presque toujours pla-ces dans les planchers, les poutres en acier offrent unavantage important en ce qui concerne la place disponible.Elles permettent une disposition flexible des conduites de mme que des modifications ultrieures.

8 Dalles

3 5 2

4

7 4

4

2

3 8

6

2

1

3

4

1

3 4

3

Composition typique dun plancher sur solives en acier Chpe de revtement Dalle en bton avec armature (treillis) Tle profile Poutre portant la dalle Espace pour conduites Faux-plafond (ventuellement servant de protection incendie)

Disposition des conduitesdans le cas de planchers avecdeux niveaux de poutres

1 Poteau2 Dalle3 Solive4 Sommier5 Conduite principale6 Conduite secondaire7 Ouverture8 Conduite (Source: Conception des charpentes mtalliques, EPFL)

II Bases de conception

23

Types de dalles

Dalle simple en bton armLa dalle en bton arm porte souvent dans une seuledirection, plus rarement dans deux directions. Elle peuttre ralis en bton coul en place (sur un coffrage en bois) ou en lments prfabriqus poss sur lespoutres, scells et ventuellement recouverts de bton.

Plancher mtalliqueCe type de plancher est compos de tles profiles etdune dalle en plusieurs couches. La tle profile en acierest seule porteuse et peut servir de coffrage pour la chapecoule sur place (bton, anhydrite, etc) . Le nervurage est souvent de forme trapzodale. Les tles sont galvani-ses ou revtues dun prlaquage.

Avantages des planchers mtalliques et mixtes lgrt excution rapide dalle sans coffrage utilisation immdiate aprs le montage chantier sr

Plancher mixte acier-btonLe plancher mixte est un systme porteur form par lespoutres, la tle profile et la dalle de bton arm couldessus. Le bton remplit la fonction de membrure sup-rieure comprime, la tle profile sert darmature et garan-tit par sa forme ladhrence au bton. Un lger treillisdarmature dans la dalle est destin limiter la fissurationdu bton. Lorsque la dalle est lie la poutraison par des connecteurs, lensemble constitue un plancher mixteacier-bton. Ce systme est trs conomique.

Plancher mince (slim floor)Le plancher mince poutres intgres slim floor est bienconnu depuis les annes 80 dans les pays anglo-saxons.Il consiste en un systme de poutres un niveau, y int-grant les lments de la dalle. Lensemble du planchernest gure plus haut que les poutres et garantit une bonneprotection contre lincendie. Les lments de la dalle sontsouvent prfabriqus, rduisant les dlais de montage, et les conduites peuvent tre places dans les nervuresen cas de dalle mixte avec tle profile.

(Source: Conception des charpentes mtalliques, EPFL)

24 steeltec 01

9 Assemblages et joints de poutres

Les lments dune ossature en acier sont prfabriqusen usine. La production industrielle et les impratifs dunmontage simple et sr ont une grande influence sur ladisposition des assemblages des lments. Il est importantde disposer dassemblages normaliss et de tolrances

Poteaux continus Poutres continues

assemblages articuls assemblages rigides noeuds prfabriqus assemblages rigides

goussets souds plaques frontales soudes plaques frontales soudes raidisseur soud sous lmedu poteau, articul

cornires doubles (non soudes) raidisseurs souds, plaquesfrontales dbordantes soudes

raidisseur soud, plaquesfrontales soudes

raidisseurs souds sous lesailes du poteau, rigide

assemblage trois dimensions assemblage trois dimensions assemblage trois dimensions assemblage spatial troisdimensions, pice dcoupeHE soude

dfinies. Pour des raisons conomiques, les formes sim-ples sont prfrables. Ci-dessous sont prsents desassemblages typiques de poutres secondaires (solives,pannes) et de poutres primaires (sommiers) de profils endouble t.

Les poteaux continus sans raidisseurs horizontaux sont avantageux pour les conduites verticales. Les nuds prfabriqus sont rares,mais avec les assemblages situs prs de lendroit o la flexion change de signe, ils peuvent prsenter des avantages pour la cons-truction et le montage. Les assemblages trois dimensions peuvent tre vits par un dcalage vertical des poutres secondaires oupar leur dcalage par rapport la trame des poteaux. Pour dautres dtails dassemblage voir, par exemple, la publication C8 du SZS.

Nuds entre poutres et poteaux en profils

II Bases de conception

25

Poutre secondaire articule

Gousset simple, soud en usine. Avec chancrure,galement possible pour semelles suprieuresaffleurantes

Pas de travail de soudage, mais plus de boulons.Sans chancrure, galement possible pour des se-melles suprieures dcales en hauteur.

Raidisseurs ventuellement moins hauts, soudsseulement lme. Une lgre torsion descouvre-joints est invitable cause de lexcen-tricit de lassemblage

Poutre secondaire continue

Raidisseurs souds seulement si ncessaire. Egale-ment possible avec joint des poutres secondaires lappui (articul la plupart des cas) .

Plaques frontales paisses, boulons prcontraints HV.Fourrures cause de linsertion et pour compenser latolrance. Joint articul, si la plaque frontale nest soudequ lme (possible avec chancrure) .

Important travail de soudage au montage.Besoin de protection de surface ultrieure dansla zone de lassemblage. Utilisable galementdans le cas de poutres secondaires de hauteuringale et dcales.(Source: Conception des charpentes mtalliques, EPFL)

Assemblages de poutres

Assemblages typiques de poutres secondaires (solives, pannes) et de poutres primaires (sommiers) de profils en double t

Joints de poutres rigidesjoint par plaques frontalesjoint fatier avec goussetjoint par couvre-joints

Assemblage articul entre poutre et sommierassemblage par goussetsassemblage par couvre-jointsassemblage par cornires doubles

Joint par gousset Joint par cornire double Joint par couvre-joints dme

superpose assemblage par plaques frontales assemblage soud

26 steeltec 01

10 Faades

Les faades ont un rle dcisif dans lconomie nerg-tique dun btiment. Elles sont places derrire, devant ou dans le plan de la structure porteuse. Compte tenu de la conductivit thermique de lacier, il est souhaitable de placer la faade lextrieur de la structure (faade-rideau). On peut galement combiner la structure mtal-lique avec une faade lourde.

1.0

3

.0 m

140 200 mm

7

8

1

Faade lourdePanneaux lourds

Faade lgre en acier1 Montant de faade2 Revtement intrieur en tle3 Isolation4 Couche disolation

supplmentaire5 Lambourde bois6 Revtement extrieur7 Plaque prfabrique en bton8 Suspension des plaques

4

5

1

3

2

Chssis prassemblsCes panneaux autoportantsne ncessitent aucune ossa-ture secondaire. Les lmentsprfabriqus de hauteur gale celle dun tage sont fixsdirectement aux dalles dubtiment ou la poutraison.

Faade en maonnerieLa poutre principale est lie lenveloppe de briques avecun profil particulier, soud ouboulonn aux lments por-teurs. Ce profil doit tre ralisen acier inoxydable.

1 voile exterieur2 Isolation avec pare-vapeur3 voile intrieur4 vide dair5 Profil de fixation

(Source: Conception des charpentes mtalliques, EPFL)

II Bases de conception

3.0

5.0 m

0.20 0.25 m

2.8 3.5 m

2 6 5

4 3

1

27

Cadres poutres continues

La structure porteuse comprend une srie de cadres avecdes poteaux en retrait. Comme les poteaux sont interrom-pus, les poutres doivent tre munies de raidisseurs pour lareprise des charges verticales. Les cadres sont orientsperpendiculairement laxe du btiment. Si les poteauxsont raccords aux poutres de faon rigide par des plaquesboulonnes, chaque cadre est en soi stable, mais lensem-ble doit tre raidi contre les charges horizontales dans le sens de la longueur du btiment par des lments sta-bilisateurs verticaux. Lesquisse montre trois variantes du plancher dont le point commun est dans la dispositionau-dessus de la poutre principale.

D1 est bas, dans le sens dune structure secondaire, surdes solives poses sur les poutres principales. La distan-ce sparant les poutres principales est ici de 4,5 m; avec des solives plus hautes, elle peut atteindre 12 m. A la

11 Ossatures cadres

Cadres avec poutres continues

Systme Styltech ( gauche):le positionnement des poteauxest relativement libre

D3

a

bc

D1

D2

a) HEA 400, interrompu auxtages

b) HEA 400, poutre continuec) Raidisseurs pour les

charges verticales

Plancher D1Panneau de bois 27 mmPoutres en acier IPE 180 180 mmTotal 207 mm

Plancher D2Dallage pos 27 mmEpaisseur de sparation en caoutchouc 20 mmTle profile en acier 160 mmTotal 207 mm

Plancher D3Chape en bton arm 70 mmTle profile en queue daronde 50 mmTotal 120 mm

diffrence des poutres secondaires, disposes la mmehauteur entre les poutres principales, la superposition(longues poutres secondaires continues) permet le place-ment des conduites dans la direction perpendiculaire auxcadres. En fonction des exigences, un coffrage en pan-neaux de bois peut suffir comme revtement de passage.

Dans le cas de D2 et D3, on a renonc des lmentsporteurs secondaires en forme de solives. La structure estforme par des tles trapzodales dans le cas de D3,en liaison avec une couche de bton arm; dans le cas deD2, ralis sec, un dallage pos sert de support aurevtement de sol. Dans le cas de tles profiles de faiblehauteur et sans assistance au montage de la dalle mixte,lespacement des poutres est limit 2 m.

Le plancher D3 atteint une rsistance au feu REI 90; les autres parties de construction ncessitent des mesuressupplmentaires si une rsistance au feu est exige.

28 steeltec 01

Cadres poteaux continus

La structure porteuse est compose dune srie de cadresavec des poteaux continus placs en faade, ces derniersnempitent pas sur lespace intrieur. Pour une surfacegale celle de lexemple prcdent, les poutres doiventavoir des dimensions suprieures car la porte est plusgrande de 10 m environ.

Les cadres sont perpendiculaires laxe du btiment. Si les poutres sont raccordes de faon rigide aux poteauxpar des plaques frontales boulonnes, leur flche estdiminue par leffet dencastrement et chaque cadre eststable en soi. La rigidit des noeuds peut tre amliorepar diverses mesures constructives. Pour rsister auxforces horizontales agissant dans le sens de la longueurdu btiment, la structure doit tre stabilise par des pansverticaux.

Le surcrot de hauteur supplmentaire peut tre compensen partie en plaant le plancher entre les poutres. Leplancher D4 est analogue au plancher D1 sauf en ce qui

concerne la position des solives places ici au niveau etentre les poutres principales. Les conduites perpendicu-laires aux cadres ncessitent louverture de trous dans lespoutres; ceux-ci sont disposs soit irrgulirement, soit des intervalles rguliers le long des poutres, sous formede poutres ajoures. De telles poutres me vide ontune hauteur lgrement plus grande mais permettent uneconomie de poids de 30 %.

D5 montre une dalle nervure o les tles trapzodalessont suspendues entre les poutres principales et bton-nes. Grce aux goujons souds au pralable sur les pou-tres, la dalle du plancher forme une structure mixte avecla structure primaire. Les tles sont suspendues par des crochets en acier (section carre 25 x 25 mm) soudsaux poutres en usine.

Le plancher D5 atteint une rsistance au feu REI 90; lesautres lments de construction ncessitent des mesuressupplmentaires si une rsistance au feu est exige.

Cadres avec poteaux continus

Plancher D4Panneau de bois 27 mmPoutre en acier IPE 160 160 mmTotal 187 mm

Plancher D5Chape en bton 120 mmTle profile en acier 200 mmTotal 320 mm

a) HEA 300b) IPE 600, en partie comme

poutre me vide

D4

D5

a

b

II Bases de conception

29

Ossature cadres spatiaux

La structure porteuse comprend une ossature sans direc-tion prfrentielle avec des poteaux en profils creuxlamins chaud (ou en caissons souds) . Ces poteauxoffrent, la diffrence des profils en double t, la mmedisposition pour le raccordement des poutres dans tousles sens. Dautre part, comme les poteaux sont continus,ici comme ailleurs, le raccordement de poutres de nimportequelle hauteur est possible, ce qui autorise des locaux des hauteurs diffrentes.

Les joints, dans lexemple prsent, ne sont pas rigides; il en rsulte une ossature de cadres avec des nudsarticuls. Pour rsister aux forces horizontales, la structuredoit tre raidie, dans les sens longitudinal et transversal,par des dispositifs verticaux complmentaires. Danslexemple prsent ici, la distance entre poteaux est de 5 m; toutefois, avec le mme systme, on peut atteindre 9 m. Au cas o toutes les solives devraient tre chargesde manire uniforme, lorientation des planchers doit tre alterne. Dans le cas de planchers minces, ceux-ciont la mme hauteur que les poutres intgres (planchers

Plancher D6Chape de ciment 80 mmIsolation phonique 20 mmDalles alvolaires en btonprcontraint 220 mmTotal 320 mm

Plancher D7Dalle en bton 120 mmTle profile en acier 200 mmTotal 320 mm

a) Poteaux en profil creux RRW 200, continus (RORgalement possible)

b) Poutres HEB 200 avec tlesupplmentaire (type SFB) ,raccordement articul

slim floor, Integrated Floor Beam, etc.) . Dans les deux cas,la semelle infrieure des poutres comprend une tle sou-de, plus large, servant dappui.

Le plancher D6 est bas sur des dalles alvolaires prfa-briques en bton prcontraint, pouvant aller grce laprcontrainte jusqu une porte de 12 m. Les alvolesservent uniquement diminuer le poids; les conduitessont loges sous le plancher. Le grand avantage rside enlexcution sec et rapide. D7 montre un plancher nervursemblable D5, avec des tles trapzodales placesentre les poutres principales et btonnes. Dans ce cas,les conduites peuvent tre places entre les nervures. Entant que construction mixte, le plancher sert aussi auraidissement horizontal du btiment.

D6 et D7 conviennent galement bien aux ossatures direction prfrentielle avec une trame rectangulaire despoteaux. Les planchers D6 et D7 peuvent atteindre unersistance au feu REI 90. Les poutres slim floor intgreset les profils creux remplis de bton arm ont une rsis-tance au feu R 60 R 90.

Cadres spatiaux

D6

D7

b

aDalle creuse en bton pr-contraint: la semelle infrieureplus large des poutres sertdappui aux lments de ladalle

30 steeltec 01

Dans la construction mtallique, la protection contrelincendie est dune importance capitale. Certes, laciernest pas combustible, mais sous leffet de la chaleur, sa structure et, par l, sa rsistance se trouvent modifies.Si un lment porteur en acier doit pouvoir rsister au feu pendant 60 minutes (R 60), la diffrence de structu-res en bton ou en maonnerie, il doit tre, la plupart des cas, enrob ou muni dune peinture protectrice.

Le choix des mesures de protection appropries est bassur des lments spcifiques. Ceux-ci tiennent compte delutilisation et des risques dincendie qui en dpendent,tout comme des occupants, du caractre ouvert ou fermdes espaces et du nombre ds niveaux. Ainsi, dans le casde btiments industriels niveau unique, en gnral, onne pose pas dexigences quant la rsistance au feu desstructures, car la possibilit de fuite vers lextrieur estdonne, les employs sont familiariss avec la dispositiondes locaux et ils sont instruits au sujet du comportement adopter en cas dincendie. Tout autre est la situation dansle cas de btiments ouverts au public o la plupart desgens ne savent pas sorienter. Les exigences sont moindresdans le cas de btiments niveau unique ainsi quauniveau suprieur de btiments tages car ils nont pasde locaux qui leur soient superposs et mis en danger en cas dincendie.

Mesures de protection actives

Les deux buts fondamentaux de la protection contrelincendie sont la protection des personnes et celle deschoses (btiment et contenu). La protection des personnesncessite des possibilits de fuite vers lextrieur. A cesujet, il convient de savoir que la cause la plus frquentede dcs en cas dincendie nest pas leffondrement dubtiment mais lasphyxie par les gaz. Il est donc importantdvacuer rapidement la chaleur et les fumes. Des me-

12 Protection incendie

sures prventives et lemploi de moyens de dtectionavancs (dtecteurs dincendie) ainsi que dinterventionrapide pour circonscrire lincendie naissant (sprinklers) ne servent cependant pas seulement la protection despersonnes et du contenu du btiment mais permettentsouvent de laisser la structure porteuse sans revtement,puisque la mise en danger par un incendie gnralis est vite.

Mesures de protection constructives

Au cas o les mesures de protection actives ne suffiraientpas, la structure porteuse doit tre construite de telle faon quelle puisse conserver sa rsistance mme dansun incendie gnralis (avec des tempratures allant jusqu environ 1000 C) pendant 30, 60 ou 90 minutes.Si la structure mtallique doit demeurer apparente, sarsistance au feu peut tre garantie soit par un surdimen-sionnement, soit par lapplication dune peinture protec-trice qui gonfle en cas dincendie (peinture intumescente) .Ces peintures sont prsent admises jusqu la classe de rsistance R60 et, par leur apparence, ne peuvent pastre distingues dautres peintures.

La mesure de protection constructive la plus courante estlenrobage des lments en acier, soit directement, soit en laissant un espace, utilisable pour placer les conduites.Une autre solution rationnelle et rpandue consiste enlutilisation de constructions mixtes o les poteaux et lespoutres sont partiellement ou entirement remplis debton. Souvent, les poteaux en acier sont entours dunmanteau en acier qui sert de coffrage pour le bton (voirlimmeuble tour de Swisscom de Burkard, Meyer & Partner,1999). Le bton de remplissage protge le profil intrieurcontre un chauffement excessif et peut contribuer lareprise des charges. Si, au contraire, on remplit de btonun poteau en tube dacier, sous leffet dun incendie, undplacement des charges se produira et ce sera le noyauen bton qui reprendra la fonction du poteau.

Poteaux en construction mixte acier-btona) profil creux rempli de bton: sous leffet de lincendie, le

noyau en bton reprend les chargesb) noyau en acier avec enrobage en bton et acier: le bton

protge le noyau des tempratures levesc) profil en acier enrob de bton

Protection constructive passive des solivesa) profil sans enrobage en construction mixte avec la dalle en

bton rsistance au feu jusqu R 30b) profil btonn entre les ailes rsistance au feu jusqu R 90c) faux-plafond rsistant au feud) peinture de protection colore (jusqu R 60) ou enduit projet

(jusqu R 90)e) enrobage avec des plaques de protection

II Bases de conception

Acier non protg Rsistance au feu R 30 Rsistance au feu R 60 Rsistance au feu R 90

Colonnes (1/2) SZS steeltec 02, CECM N 89(U/A < 50 m-1) (3)

min. RND/VKT 80

min. 60x120

min. 150x150

min. HHD 320x300 HHD 400x382

SZS steeltec 02, CECM N 89

(U/A < 14 m-1) (3)

min. RND/VKT 280

min. 200x500

min. 400x400

min. 320x320

aucune

SZS steeltec 02, CECM N 89

min. HEM 300

SZS steeltec 02, CECM N 89

section pleinemin. FLB 150/300

aucune

Structures protges parpeinture intumescente (4)

tout lesprofils

tout lesprofils

http://bsronline.vkf.ch http://bsronline.vkf.ch

non autoris

Structures mixtes (5)

Colonnes SZS C2.3, SZS C2.4, ECCS N 55norme SIA 264/1

min. HEA 160, RRK 140, ROR 139,7

SZS C2.3, SZS C2.4, ECCS N 55norme SIA 264/1

min. HEA 200, RRK 160, ROR 159

SZS C2.3, SZS C2.4, ECCS N 55norme SIA 264/1

min. HEA 240, RRK 180, ROR 177,8

Poutres btonnes entre aile etme, dalle suprieure ( 120 mm)

min. HEA 100, IPE 120 min. HEA 100, IPE 200 min. HEA 180, IPE 300

Dalles mixtes avec tle profile

paisseur moyenne de la dalle heff

SZS C2.4, CECM N 32

heff 60 mm heff 80 mm heff 100 mm

SZS C2.4, CECM N 32 SZS C2.4, CECM N 32

Acier protg (6)

Protection par plaques,en forme de caisson

(par exemple pour colonnes)

SZS, CECM N 89 /Steeltec 02http://bsronline.vkf.ch

environ 15 mmdpaisseur typique

SZS, CECM N 89 /Steeltec 02http://bsronline.vkf.ch

environ 25 mmdpaisseur typique

SZS, CECM N 89 /Steeltec 02 http://bsronline.vkf.ch

environ 35 mmdpaisseur typique

Protection par crpis projetspousant la formedu profil

(par exemple pour poutres)

SZS, CECM N 89 /Steeltec 02http://bsronline.vkf.ch

environ 20 mmdpaisseur typique

SZS, CECM N 89 /Steeltec 02http://bsronline.vkf.ch

environ 30 mmdpaisseur typique

SZS, CECM N 89 /Steeltec 02http://bsronline.vkf.ch

environ 40 mmdpaisseur typique

(1) Dimensions donnes pour des colonnes continues sur 3 tages de 3 mtres dhauteur dtage (selon steeltec 02 ou CECM N 89). (2) Des dimensions infrieures sont possibles pour des taux dutilisation rduits, consulter lEuronomogramme (steeltec 02 ou CECM N 89). (3) Facteur de massivet U/A (resp. Am/V selon Euronomogramme). (4) Ncessite lapprobation des autorits comptentes de scurit incendie au niveau du projet (voir note explicative de lAEAI 1008). (5) Bton toujours arm, sauf pour les profils creux R 30. (6) Verkleidungsprodukte gemss VKF-Brandschutzregister, Anwendung und konstruktive Randbedingungen wie geprft und zugelassen (QS-Verantwortung der Bauleitung).

Abb. 31: Einsatzmglichkeiten der Stahlbauweise

tout lesprofiles

tout lesprofiles

tout lesprofiles

tout lesprofiles

tout lesprofiles

tout lesprofiles

Poutres mixtes avec dalles btoncollaborantes suprieures (2)

SZS C2.4norme SIA 264/1

SZS C2.4norme SIA 264/1

SZS C2.4norme SIA 264/1

Application des mesures protectrices

32 steeltec 01

Lossature est la forme la plus rpandue dans la construc-tion mtallique. Elle se compose de poteaux et de poutresformant un squelette qui sera rempli par les planchers etles parois non porteuses pour dlimiter les espaces. Ceslments seront mis en place sec, ou, en associationavec du bton, contribueront une utilisation optimaledes matriaux. La ralisation de btiments ossature estcaractrise par une dmarche rationnelle lors de leurconception, fabrication et montage.

Limmeuble tour de Swisscom Winterthur, de Burkard,Meyer & Partner (1999), illustre bien ce type de btiments.Autour dun noyau central en bton, fonction de stabili-sateur, abritant les escaliers, les ascenseurs et les con-duites, les poteaux mixtes sont rigs sur une trame de5,6 m x 5,6 m. Ils ont un noyau en acier plein entourdune enveloppe en tle (une section creuse rectangulaireservant en mme temps de coffrage) remplie de bton.Cette solution garantit une grande capacit de rsistanceet une excellente protection contre lincendie avec unesection minimale. Sur les poutres en acier large semelleinfrieure sont poss des lments prfabriqus en btonrecevant une couche de bton coul et formant avec lessolives en acier une structure mixte (slim floor) . La faadeenveloppe la structure porteuse dont elle ne laisse appa-ratre que les planchers.

A premire vue, la Teehaus Neustift am Walde (1998)de Georg Marterer donne limpression que la structure engrille de la faade est en mme temps lossature porteuse.En fait, il sagit de profils ajouts recouvrant les jointsentre les lments. La trame apparente correspond exac-tement la structure porteuse derrire elle, base sur un module carr de 2,46 m et qui sert de plan dalignementpour les lments mentionns (baies vitres, fentres

13 Btiments ossature

coulissantes et remplissages ferms). Comparable la maison de vacances de Lacaton & Vassal Lge Cap-Ferret (1998), btie au milieu dun bois dense, lossatureapparat en relief dans lespace intrieur.

Egalement comparable cette maison de vacances mais la diffrence de limmeuble tour de Swisscom, il sagit icidune ralisation sec o seule la dalle du plancher a t coule sur place. Le contreventement est assur pardes diagonales croises, situes derrire les lments; lesdalles en bton reposent sur des tles trapzodales.

Un autre exemple reprsente la maison dhabitation deWerner Sobek Stuttgart. Lossature en acier est compo-se de poteaux en profils creux carrs et de poutres IPE.Le raidissement se fait par des tirants sur trois faades et dans les dalles. Des panneaux en sapin trois couches(bois massif, 60 mm) et revtus de rsine poxy sont possentre lossature. La faade rideau est constitue duntriple vitrage isolant (valeur U = 0,45 W/m2K).

Ossature en acier aveclments de plancher prfa-briqus (slim floor) . Burkard,Meyer architectes: Immeubletour Swisscom, Winterthur,1999

La grille visible montre lesprofils qui recouvrent les l-ments. Georg Marterer:Teehaus Neustift am Walde,Vienne (Autriche) , 1998

Ossature visible depuis lint-rieur avec plafond en tlesprofiles. Lacaton & Vassal:Maison de vacances, LgeCap-Ferret (France) , 1998

Maison Sobek: ossature enacier compose de poteauxen profils creux carrs et depoutres IPE, Stuttgart 2001

III Application architecturale

33

Si la porte des poutres dpasse une certaine limite, lesprofils lamins usuels ne suffisent plus. Pour conomiserde la matire et du poids, les poutres seront sous-tenduespar un tirant, ou allges comme poutres me vide, ou remplaces par un treillis. Jusqu la premire moiti duXXe sicle, lassemblage de structures porteuses partirde profils trs minces tait la solution courante sinonlunique possibilit pour couvrir des portes importantes.Lassemblage par soudure des lments dun treillis(membrures infrieure et suprieure, montants et diago-nales) demande toutefois beaucoup de travail. Ainsi, denos jours, malgr une quantit plus grande de matirencessaire, on recourt souvent des poutres me pleine,composes de tles soudes ensemble.

Malgr le surplus de travail, lconomie de poids djmentionne, une plus grande facilit pour les conduites etune meilleure transparence plaident en faveur dune struc-ture compose de barres. On rencontre une telle solutionpar exemple dans le cas du dpt de locomotives auf demWolf (1995) de Herzog & de Meuron, o les treillis per-mettent un clairage znithal. Les halles ont des parois enbton et une toiture en acier. Des treillis, associs deuxpar deux pour former des caissons, reposent des inter-valles de 13 m sur les pans en bton et couvrent uneporte allant jusqu 40 m. Entre ces caissons en treillishauts de 3 m et revtus de verre Profilit pour assurer lc-lairage, sont suspendues les poutres du toit plat.

14 Treillis et faade

Alors que chez Herzog & de Meuron les treillis ne sontemploys que pour la toiture, dans le cas de la maison deweek-end de Craig Ellwoods San Luis Obispo (1967/68),ils forment la structure primaire du btiment et en mmetemps la faade longitudinale. Telle un pont, la maison en forme de paralllpipde franchit un canyon large de18 m. Les treillis sont composs de deux profils UNPcomme membrures, et de tubes carrs comme montantset diagonales. Le plancher et le plafond reposent sur des poutres en acier disposes au droit des montants destreillis.

Dans ces exemples, la structure mtallique marque lappa-rence de ldifice chez Ellwood plus que chez Herzog &de Meuron o la structure est derrire un voile semitrans-parent. La structure en acier est entirement dissimuledans le cas des logements pour personnes ges deMVRDV Amsterdam (1997), o seul limmense porte--faux des volumes deux niveaux laisse deviner la prsencedune structure en acier en vue dune conomie de poids.Les ouvertures, dont les dimensions et la position sontdtermines par les barres du treillis, confortent ce raison-nement.

Une maison en forme de pontCraig Ellwood: Maison deweek-end, San Luis Obispo(USA) , 1967/68

Une charpente en acier se cachederrire un revtement en bois.MVRDV: Logements pourpersonnes ges, Amsterdam,1997

Lclairage znithal va de mur mur. Revtement en verreProfilit. Herzog & de Meuron:Dpt de locomotives auf demWolf, Ble, 1995

34 steeltec 01

Les treillis spatiaux sont composs de barres minces etde nuds, la plupart du temps sphriques, pouvant runirjusqu 18 barres. Ils sont associs, en gnral, la cou-verture de grande surface. Ainsi, par exemple, une tellestructure, dune hauteur de 4 m, peut couvrir des portesallant jusqu 120 m.

A ct de Konrad Wachsmann et Buckminster Fuller, quistaient engags dans le dveloppement de ces struc-tures lgres pour toitures de grande porte, il faut gale-ment mentionner Max Mengeringhausen dont les noeudsMero de 1942 ont un assemblage vis utilis de nos jours encore. Les treillis spatiaux sont constitus de pansde membrures suprieure et infrieure et de diagonales.Selon quil sagisse dune combinaison de ttradres,octadres ou cuboctadres, vues den haut, les barres desmembrures suprieure et infrieure sont parallles ouperpendiculaires.

Dans le cas du Sainsbury Centre for Visual Arts (1978) deNorman Foster, la structure spatiale est dcompose enpoutres trois membrures composes de deux poutres treillis membrures parallles partageant une membrureinfrieure commune. Ce qui est intressant, cest que lastructure et lenveloppe sont employes aussi bien pour la toiture que pour les murs. Dans ceux-ci, Foster met envaleur la hauteur de trave de 3 m pour y intgrer nonseulement les conduites mais aussi un couloir daccs.Les nuds des poutres sont souds, seules les diagona-les reliant les deux poutres sont boulonnes, au fur et mesure du montage.

Au pavillon des Etats-Unis de lExposition mondiale 1967 Montral, d Buckminster Fuller, la frontire entre mur et toiture a t entirement abandonne. La sphretronque aux trois quarts forme le contenant de lexposi-tion; sa base, son diamtre mesure 110 m alors que sonplus grand diamtre a la dimension imposante de 167 m.Tout cela est ralis avec des tubes dacier de 9 cm de

15 Treillis spatiaux

en haut droite: Le treillisspatial rpartit les charges dela maison sur quatre fonda-tions ponctuelles. BenthemCrouwel: Maison dhabitation,Almere (Pays-Bas) , 1984

La sphre tronque a un dia-mtre de 110 m la base.Buckminster Fuller: Pavillondes Etats-Unis lEXPO67,Montral, 1967

Angle ouvert: Norman Foster:Sainsbury Centre for VisualArts, Norwich (Royaume-Uni) ,1978; Axonometrie

diamtre au maximum. A la diffrence de louvrage deFoster, lespace est dlimit, ici, par des panneaux en ver-re acrylique poss sur la face intrieure du treillis. Laforme hexagonale des panneaux correspond la gomtriede la membrure infrieure alors que la membrure sup-rieure a une structure triangulaire.

La maison dhabitation de Benthem Crouwel Almere,Pays-Bas (1984) doit tre considre comme une exten-sion de la fonction dun btiment sans pour autant aban-donner les principes de sa construction. Bien qu lorigine,ce devait tre un ouvrage temporaire rig sur un terrainde mauvaise qualit, la maison subsiste toujours et en1991, elle a mme t agrandie. On a choisi alors untreillis spatial facilement dmontable qui devait rpartir lescharges de ltage dhabitation sur quatre fondationsponctuelles, considres comme des poteaux raccourcis.En le dtachant du sol, le rez-de-chausse est en mmetemps protg contre lhumidit du terrain.

Nud Mero avec barreraccorde. Vue et coupe

III Applications

35

Les diagonales sont souvent des adjonctions destines doter la structure de sa rigidit ncessaire en labsencedautres lments de contreventement comme des noyauxou des murs de refend. Mais la diagonale jouit aussi dunegrande popularit comme lment porteur principal, quece soit sous la forme dun faisceau de poteaux inclinsselon un angle apparemment arbitraire (jeu de mikado),ou faisant partie dune structure en forme de grille rgu-lire. La fascination peut tre attribue deux dcouvertes:a) les charges verticales et horizontales peuvent trereprises, apparemment sans hirarchie, par une seule etmme structure de barres, et b) le treillis peut avoir unequalit ornementale.

Les premiers exemples de structures en grille non ortho-gonale sont fournis par les tours dues Suchov, larecherche dune solution conomique en matriaux pourchteaux deau. Une comparaison impressionnante fournitla preuve du potentiel dconomie des tours ralises ex-clusivement de cornires et de profils en U. La tour de lmetteur radio de Suchov Moscou (1919 1922)mesure 350 m de haut et pse 2200 tonnes. La tourEiffel (1889) Paris, elle, mesure seulement 305 m dehaut et pse nanmoins 8850 tonnes. Comparaison im-pressionnante, mme si les deux ouvrages devaientrpondre des exigences diffrentes dues leur utilisa-tion respectives.

La forme de lhyperbolode est base sur deux cylindresidentiques composs de barres droites lesquels gnrent,par rotation des cercles leur base et leur sommet, unestructure en grille compose de rhombodes. Les nudssont rivets et, pour augmenter la rigidit de lensemble, ony a ajout, ct intrieur, des anneaux horizontaux, ce quidonne en dfinitive, des triangles.

La mdiathque de Toyo Ito Sendai (2001) constitue unexemple plus rcent qui se rattache aux acquis de Suchov,et dont les quatre tours places aux angles ont t cons-

16 Losanges et diagonales

gauche: La toiture vitreconsiste en une structure degrille triangulaire. NormanForster: Facult de Droit,Cambridge, 1995

Des barres composes dedeux profils en U et dispo-ses en spirale constituent un hyperbolode. Vladimir G.Suchov: Tour dmetteur radio Sabolovka, Moscou,1919 1922

truites selon des principes identiques. Si chez Suchov etIto, les lments porteurs sont hirarchiss, dans le casde la Facult de droit Cambridge de Norman Foster, leslments diagonaux et horizontaux de la vote de la toiture,avec une porte de prs de 40 m, apparaissent comme demme importance. La structure est compose de tubes de 160 mm de diamtre, dont un sur deux est sous-tendu.Il est intressant dobserver que lenveloppe en verre estdtache de quelques centimtres de la structure sous-jacente ce qui fait se poser la question de savoir si Fostervoulait mettre en valeur la membrane, ou si, tout simple-ment, les profils ronds ne permettaient pas de plaquer lesfentres contre eux.

Cette dissociation est inconnue du Prada-Store de Herzog& de Meuron Tokyo (2003). Les vitres sont fixes direc-tement sur la grille qui, associe aux trois noyaux internes,porte les charges verticales. En ce qui concerne la trans-mission des forces, aux points de contact des losangeshorizontaux, le potentiel des assembla