Brevet FR2833632A1 — publié le 20030620

Poteau composite préfabriqué pour la construction de structure portante verticale de bâtiment composé d'au moins un profilé d'acier, cylindrique creux. La présente invention concerne un poteau composite préfabriqué pour la construction de structure portante verticale de bâtiment, composé d'au moins un profilé d'acier cylindrique creux. Les structures portantes verticales pour bâtiment sont soumises à d'importantes contraintes de résistance au feu et posent, de par leur complexité, des problèmes de fabrication et de montage sur chantier. En particulier, les poteaux à base de profilés creux et non protégés contre le feu ont une faible résistance intrinsèque lors d'un incendie. Différentes solutions permettent de répondre aux contraintes incendie et d'augmenter ainsi la résistance au feu des poteaux des structures portantes. Une de ces techniques de protection au feu se base sur la mise en place d'une isolation sur la face externe du poteau. Les procédés actuels consistent, soit à fixer des plaques isolantes, soit à placer ou projeter un matériau isolant en surface. Dans les deux cas, la résistance au feu du poteau va dépendre des propriétés thermiques de l'isolant utilisé et du facteur de massiveté du profil en acier constituant l'ossature du poteau. Ce type de protection est par exemple décrit notamment dans les documents JP2000045418, JP54073415. Dans cette configuration, les charges de service à température ambiante sont reprises par le profilé en acier du poteau. Il en est de même dans le cas d'incendie, mais, quand l'acier perd sa résistance mécanique, le poteau ne résiste plus aux charges de service correspondantes et sa ruine survient rapidement. Ce type de protection est, en général, mis en oeuvre sur chantier afin d'éviter, par exemple, une détérioration de la couche isolante lors du transport sur site dans le cas d'une mise en oeuvre hors du chantier. Il convient de remarquer que l'efficacité de la protection est directement liée à la qualité de sa mise en oeuvre sur le profilé en acier du poteau. Dès lors, un placement correct de l'isolant, sans défaut, requiert, dans des conditions de chantier, beaucoup de soins et d'attention ainsi qu'une certaine qualification des ouvriers. Ces conditions pénalisent le rendement et le coût de la structure portante. Une autre technique de protection au feu des poteaux à base de profilés creux consiste à remplir le profilé en acier par du béton. La résistance au feu du poteau mixte acier-béton varie selon que le béton est muni d'une armature de ronds à béton ou non. Ce type de protection est notamment décrit dans les documents GB1507450, JP09041489, JP08129055. A température ambiante, le profilé en acier constitue l'élément porteur principal. Par contre, lors de l'incendie, la participation de l'acier à la résistance du poteau décroît au fil du temps et de l'élévation de température. Durant ce processus, une redistribution des contraintes s'effectue entre l'acier et le béton ; les charges de service à l'incendie sont alors reprises par le noyau en béton. Dans la majorité des cas, les poteaux mixtes sont assemblés puis chargés en béton sur chantier. Les étapes de mise en oeuvre sur le chantier sont les suivantes : les profilés creux sont montés sur place, le ferraillage éventuel est placé à l'intérieur des profilés creux et le poteau peut alors être rempli de béton. Cette fabrication nécessite une suite d'opérations différentes, entraînant une perte de temps et d'argent. En outre, elle est également tributaire des conditions météorologiques qui peuvent aussi être une source de retard dans la construction. Les deux types de protection peuvent être combinés comme par exemple, et notamment, dans les documents JP11303418, JP08284531. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus en proposant un poteau composite préfabriqué pour la construction de structure portante verticale de bâtiment composé d'au moins un profilé cylindrique d'acier ayant une garantie de résistance au feu en conformité avec la réglementation et pouvant être monté et assemblé mécaniquement avec des poutres du type profilés normalisés, par exemple, en 1 ou en H. En outre, ce poteau composite, de qualité esthétique, est économiquement intéressant grâce à une préfabrication industrielle en usine. L'objet de l'invention est un poteau composite préfabriqué pour la construction structure verticale de bâtiment composé d'au moins un profilé d'acier cylindrique creux, caractérisé en ce qu'il comporte, une enveloppe extérieure profilée métallique cylindrique, une âme métallique axiale, longitudinale, un moyen de fixation situé à une de ses extrémités pour assurer une liaison avec au moins une poutre de la structure du bâtiment, une plaque d'appui et de liaison située à l'autre extrémité, l'espace interne de l'enveloppe étant divisé par l'âme, en zones séparées, chacune des zones étant partiellement ou totalement remplies de béton et/ou de matériau isolant. Les autres caractéristiques de l'invention sont : - l'enveloppe cylindrique est de section polygonale, de préférence carrée ou rectangulaire, ou circulaire. - l'âme métallique axiale, longitudinale, est un profilé creux cylindrique. - le moyen de fixation avec au moins une poutre de la structure du bâtiment est composé de plaques quadrilatères accolées par un de leur coté pour former un profilé étoilé. - le profilé étoilé porte, en bout, une platine polygonale évidée dans sa partie centrale. - la platine est une plaque carrée, percée en son centre, d'un trou de forme correspondant à la section de l'enveloppe extérieure. - le moyen de fixation, profilé étoilé, est un moyen de centrage de l'âme métallique par rapport à l'axe longitudinal de l'enveloppe. - la charge de béton et/ou de matériau isolant est insérée dans la zone située entre l'enveloppe et l'âme profil creux. - la charge de béton et/ou de matériau isolant est introduit dans la zone située entre l'enveloppe et l'âme profil creux et dans la zone centrale dudit profil creux, le béton et/ou le matériau isolant des deux zones pouvant être de composition et de propriétés différentes. La description qui suit et les figures annexées, présentant les exemples de réalisation non limitatifs, feront bien comprendre l'invention. La figure 1 présente un exemple de réalisation de l'invention. Les figures 2a et 2b présentent des moyens de fixation pour assurer une liaison avec au moins une armature du bâtiment. La figure 3 sont deux modes de construction d'un poteau selon l'invention. Les figures 4a et 4b présentent deux autres exemples de réalisation de l'invention. Il est connu l'usage de profilés cylindriques de section circulaire ou quadrilatère associés à des poutres porteuses de plancher pour former une structure métallique de bâtiment. Par exemple, les profilés cylindriques sont montés verticalement, associés les uns aux autres, bout à bout, pour former une colonne, les poutres du plancher étant fixées sur la paroi externe des profilés ou encore montés traversant lesdits profilés, le béton étant amené en remplissage des profilés et du coffrage du plancher après le montage de la structure. Dans ce type de structure, le profilé n'a qu'une fonction de coffrage. Il participe ensuite mécaniquement à la tenue du bâtiment en tant qu'armature métallique de la colonne. Il est également connu des éléments de connexion liant, lors du montage de la structure de bâtiment, des piles avec les poutres de plancher. Dans ce type d'installation, la charge de béton, destinée au remplissage des piles pour former les poteaux, est également apportée sur le chantier lors de la construction du bâtiment. Dans le domaine de la construction de bâtiment, il est proposé des éléments préfabriqués, notamment des poteaux, qui sont montés sur le chantier, ce qui évite une construction par emmenée et coulée de béton liquide. En effet, les coulées de béton liquide nécessitent d'attendre un temps pour la prise et l'obtention de ses caractéristiques mécaniques, temps s'exprimant en jours. Le poteau, selon l'invention, est un poteau composite préfabriqué pour la construction de structure portante verticale de bâtiment composé d'au moins un profilé d'acier, cylindrique, creux. Le poteau 1, comme représenté sur la figure 1, est composé d'au moins une enveloppe d'acier 2 profilée, longiligne, par exemple, cylindrique, comportant à une de ses extrémités 3, un moyen de fixation 4 pour assurer une liaison avec au moins une poutre de structure de bâtiment, et à l'autre extrémité 5, une plaque d'appui 6 et de liaison, tout ou partie du profilé creux étant rempli de béton. Selon l'invention, le poteau comporte, une âme 12 métallique axiale, longitudinale et destinée à assurer les charges portantes dans le cas ou, par un effet de réchauffement intense, l'acier de l'enveloppe 2 extérieure perdait ces caractéristiques mécaniques. De préférence, l'âme 12 est un profilé cylindrique creux. Le moyen de fixation 4, représenté sur les figures 2a et 2b, est composé de plaques 7 quadrilatères accolés par un de leurs cotés 8 pour former un profilé étoilé 9, le profilé étoilé 9 pouvant porter en bout, une platine 10 polygonale évidée. Le moyen de fixation 4 en partie 3 du poteau, dans sa partie profilée étoilée 9, se compose de fers plats par exemple, soudés en équerre, le profilé formant une croix. Le profilé sur les figures, en croix, a pour objet d'assurer une liaison, par exemple, par boulonnage, au niveau des plaques 7 avec des poutres métalliques de la structure, placées horizontalement, par exemple de type en 1, ou en H. La platine 10 est une plaque par exemple, carrée, percée en son centre d'un trou 11 de forme correspondant à la section du profilé 2 creux longiligne. Sous cette forme, le profilé étoilé 9 est assemblé à l'enveloppe 2 de façon coaxiale, c'est-à-dire que le coté 8 est placé dans l'axe longitudinal du profilé formant l'enveloppe. La platine 10, soudée en bout du profilé en croix de la figure, est évidée pour laisser une ouverture de remplissage du béton et/ou de matériau isolant thermique, dans l'espace interne de l'enveloppe 2. Elle a pour fonction d'assurer une liaison de préférence boulonnée au travers du plancher, avec la plaque d'appui 6 du poteau correspondant de l'étage supérieur du bâtiment. Le profilé en croix, comme présenté sur les figures, est monté soudé, en extrémité 3 de l'enveloppe 2 en s'insérant dans quatre encoches aménagées longitudinalement dans le profilé creux formant l'enveloppe. Bien qu'un profil creux, associé au moyen de fixation 4 et à la plaque d'appui 6, constituent la forme la plus simple de l'invention, le poteau comporte de préférence une enveloppe 2 et une âme 12 constituées de deux profilés cylindres concentriques définissant des zones séparées. Le poteau est alors constitué par une enveloppe 2 extérieure, profil creux, de dimension transversale supérieure à l'âme 12 profilée intérieure, pour former une zone annulaire permettant un remplissage correct de béton ou de coulis de ciment et/ou isolant assurant une isolation thermique de l'âme 12 afin qu'elle conserve toute sa résistance jusqu'à la limite du temps imposé par la réglementation incendie. L'enveloppe 2 extérieure est de même longueur que l'âme 12 profilée. Les deux profilés sont montés de manière coaxiale ou de façon centrée grâce à un dispositif 13 de centrage comme présenté sur les figures 3a et 3b. Par exemple, le dispositif simple de centrage se compose de tiges 14 traversant l'âme 12 et maintenant de manière radiale et coaxiale, en entretoise, l'enveloppe extérieure 2. L'enveloppe externe, centrée, comporte des encoches en correspondance avec les plaques 7 du profilé en croix. Celui-ci n'est pas nécessairement soudé. Comme représenté sur les figures 4a et 4b, le poteau comporte de préférence deux profilés en creux concentriques générant deux zones, l'une cylindrique, l'autre annulaire, une ou les deux zones pouvant être chargées en béton ou ciment et/ou isolant. L'enveloppe et l'âme, sous forme de profilés creux, peuvent faire l'objet de différentes combinaisons possibles dans les domaines de leurs sections envisagées. Pour gagner en performance, le profilé de l'âme 12 interne peut être réalisé en acier à très haute limite élastique. Un tel poteau composite permet la transmission de moments fléchissant importants même dans le cas d'un échauffement découlant d'un incendie. L'enveloppe 2 externe et l'âme 12 participent, à la température ambiante, à la reprise de la charge de service pondérée que doit assurer le poteau. En fonction de réchauffement subit en cas d'incendie, l'enveloppe 2 externe perd ses propriétés mécaniques, et le profilé de l'âme 12 interne assure alors, seul, la reprise de la charge. On rappelle que la charge pondérée à température ambiante est environ 40% plus élevée que la charge pondérée incendie. L'intérêt du poteau, selon l'invention, réside dans une fabrication industrielle en usine permettant de mettre à la disposition des constructeurs de bâtiments, des composants structuraux prêts à l'emploi avec une garantie de qualité et engendrant des économies de coût, de temps, et de main d'oeuvre substantielles. Deux techniques de préfabrication du poteau composite sont à envisager selon le type d'isolant considéré. Un premier exemple de réalisation consiste à assembler le poteau composite, préalablement au remplissage, par un isolant. On commence donc par réaliser le moyen de fixation en assemblant la croix par soudure de plats métalliques et la platine associée. Cette platine est évidée pour faciliter la mise en place du matériau de remplissage des zones créées annulaires et éventuellement le boulonnage de l'âme centrale. Ensuite, le moyen de fixation est introduit dans le profil creux de l'âme et soudé. La pièce ainsi obtenue est glissée dans l'enveloppe externe sur laquelle on soude la platine intérieure. Enfin, les zones annulaires sont remplies avec l'isolant et l'âme creuse peut être remplie de béton. Un deuxième exemple de réalisation consiste, dans un premier temps, à assembler le profilé de l'âme. On commence donc par réaliser le dispositif de liaison en assemblant la croix par soudure de plats métalliques et la platine associée. Cette platine peut être pleine ou évidée dans le cas d'un éventuel boulonnage sur le profilé axial. Ensuite, le moyen de fixation est introduit dans le profil creux de l'âme et soudé. L'isolant est alors placé autour de l'âme ainsi obtenue. Le poteau composite est réalisé en glissant l'ensemble âme-isolant dans l'enveloppe externe sur laquelle on soude la platine. L'âme interne peut alors être remplie de béton. La plaque d'appui, à la base du poteau, peut être pleine ou évidée. Les poteaux composites peuvent faire l'objet de plusieurs combinaisons possibles entre les formes des sections externes et celles des sections internes. Selon l'invention, l'utilisation de profilés creux concentriques en acier de section, par exemple polygonaux et de préférence carrés ou rectangulaires, ou circulaires, permettent à l'ensemble de participer à la reprise des charges de service. En cas d'incendie, la charge de service est assurée en remplacement par le profilé creux interne que constitue l'âme. Cette reprise différentielle des efforts est directement liée au moyen de fixation prévu pour assembler les poutres de la structure au poteau, moyen de fixation qui assure une liaison avec au moins une poutre de la structure du bâtiment, l'enveloppe extérieure profilée et de la plaque d'appui liant également, mécaniquement, l'âme du poteau. Comme présenté, l'espace interne de l'enveloppe est divisé en zones partiellement ou totalement rempli de béton et/ou de matériau isolant. Le remplissage de la zone annulaire, créé entre l'enveloppe cylindrique profilée et l'âme, au moyen un matériau choisi, retarde la transmission de la température vers l'âme intérieure et participe éventuellement à la résistance mécanique. Le remplissage éventuel de la zone interne à l'âme profilée par du béton peut participer à la résistance structurale et/ou à la résistance au feu du poteau composite. De ce fait, la transmission thermique à l'âme axiale intérieure est retardée grâce au matériau par exemple, isolant placé dans la zone située entre l'enveloppe et l'âme profilée et grâce, éventuellement, à l'augmentation de l'inertie thermique due au remplissage de la zone interne à l'âme, par du béton. Le moyen de fixation, pour assurer une liaison avec au moins une armature du bâtiment, fait participer l'enveloppe externe et l'âme à la reprise des charges de service. En cas d'incendie, au-dessus d'une certaine température, l'enveloppe ne participe plus à la résistance mécanique du poteau composite et, dans ce cas, seul l'âme, protégée, isolée, et encore à une température relativement basse, reprend les charges de service dit incendie. Dans le cas ou l'enveloppe formant l'âme est remplie de béton, c'est le composé acier-béton de l'âme qui reprend les charges de service et non plus l'enveloppe externe du poteau. L'enveloppe externe est un coffrage qui, en fonction du réchauffement dans le cas d'un incendie, perd toute fonction portante, mais il participe bien, en utilisation normale, à température ambiante, à la reprise de la charge de service pondérée que doit assurer un poteau composite. Le poteau composite et son moyen de fixation, pour assurer une liaison avec au moins une armature du bâtiment, assurent une transmission adéquate des efforts des poutres de la structure vers le poteau par une connexion en croix. Sur chantier, la connexion entre poutres de l'armature et poteau est simple à réaliser car ladite connexion est intégrée au poteau et seules les poutres sont à lier au poteau. En d'autres termes, le poteau est préfabriqué de manière à ce qu'il ne soit pas nécessaire d'associer dans le montage de la structure portante, une pièce de jointure ou de connexion intermédiaire. La préfabrication du poteau, selon l'invention, ouvre la possibilité de profiter des avantages offerts par les nouveaux aciers à hautes caractéristiques mécaniques. L'intérêt du poteau composite, selon l'invention, réside notamment, dans une fabrication industrielle en usine, permettant de mettre à la disposition des constructeurs, des composants structuraux prêts à l'emploi avec une garantie de qualité du produit et engendrant des économies substantielles de coût, de temps et de main d'oeuvre. Le poteau permet de reprendre les charges de service de façon différentielle et complémentaire. Cette reprise différentielle des efforts est directement liée au moyen de fixation prévu pour l'assemblage des poutres de structure avec ledit poteau. REVENDICATIONS 1. Poteau composite (1) préfabriqué pour la construction de structure portante verticale de bâtiment, composé d'au moins un profilé d'acier (2), cylindrique, creux, caractérisé en ce qu'il comporte, une enveloppe extérieure (2) profilée métallique cylindrique, une âme métallique axiale (12), longitudinale, un moyen de fixation (4) situé à une de ses extrémités (3) pour assurer une liaison avec au moins une poutre de la structure du bâtiment, une plaque d'appui et de liaison (6) située à l'autre extrémité (5), l'espace interne de l'enveloppe (2) étant divisé par l'âme (12), en zones séparées, chacune des zones étant partiellement ou totalement remplies de béton et/ou de matériau isolant. 2. Poteau selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'enveloppe cylindrique (2) est de section polygonale, de préférence carrée ou rectangulaire, ou circulaire. 3. Poteau selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'âme métallique axiale, (12) longitudinale, est un profilé creux cylindrique. 4. Poteau selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de fixation (4) avec au moins une poutre de la structure du bâtiment est composé de plaques quadrilatères (7) accolées par un de leur coté (8) pour former un profilé étoilé (9). 5. Poteau selon la revendication 4 caractérisé en ce que le profilé étoilé (9) porte, en bout, une platine polygonale (10) évidée dans sa partie centrale. 6. Poteau selon la revendication 5 caractérisé en ce que la platine (10) est une plaque carrée, percée en son centre, d'un trou (11) de forme correspondant à la section de l'enveloppe extérieure (2). 7. Poteau selon la revendication 4 caractérisé en ce que le moyen de fixation (4), profilé étoilé (9), est un moyen de centrage de l'âme métallique (12) par rapport à l'axe longitudinal de l'enveloppe (2). i 8. Poteau selon la revendication 1 caractérisé en ce que la charge de béton et/ou de matériau isolant est inséré dans la zone située entre l'enveloppe (2) et l'âme profil creux (12). 9. Poteau selon la revendication 1 caractérisé en ce que la charge de béton et/ou de matériau isolant est introduit dans la zone située entre l'enveloppe (2) et l'âme profil creux (12) et dans la zone centrale dudit profil creux (12), le béton et/ou le matériau isolant des deux zones pouvant être de composition et de propriétés différentes.