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15/02/2017
Charpente métallique
« L’évolution de la construction des charpentes métalliques fut étroitement liée à l’extension des villes. Il est notoire que pendant cette première moitié de XXe siècle, la population afflua de plus en plus vers la ville. Mais plus celle-ci s’étendait, plus les quartiers des affaires avaient tendance à se rassembler au centre de la ville, ce qui obligea, vu le prix élevé du terrain, à construire en hauteur. D’autre part, on s’efforça de réunir dans le même bâtiment les bureaux et les magasins. Pour remplir cette condition, il fallut utiliser au mieux l’espace disponible, c’est-à-dire non seulement construire en hauteur, mais également diminuer le plus possible l’épaisseur des murs, parois, plafonds et piliers. Ces nouveaux problèmes ont été résolus par le bâtiment à étages multiples où la construction massive est remplacée par une construction à ossature. L’acier révéla alors ses nombreux avantages à tel point que l’ossature métallique fut très appréciée pour la construction de grands bâtiments commerciaux. » - Brochure VSB.
Un bref historique
Le fer a commencé à faire son apparition comme matériau de construction au milieu du XVIIIe siècle alors que les matériaux usuels de l’époque étaient le bois et la pierre. Ses fonctions principales étaient essentiellement l’ornementation et le renforcement des ossatures. Le rôle de nombreuses pièces métalliques était aussi de maintenir les pierres dans leur position initiale par agrafage. A la fin du XVIIIe siècle, les pièces métalliques n’étaient plus cachées dans les murs de pierre, mais composaient l’ossature principale des constructions, contribuant ainsi à une nouvelle forme d’architecture. Un des précurseurs de la construction en fer fut Victor Louis qui, en 1786, créa le premier ouvrage constitué entièrement d’une ossature métallique, le toit en fer du Théâtre français à Paris.
Avec le fer, les schémas ou méthodes de conception furent bouleversés. Ce passage d’éléments uniques à des produits normalisés fut possible grâce aux nombreux développements effectués dans le domaine des chemins de fer européens. C’est ainsi qu’apparurent au début du XIXe siècle les premières poutrelles en fer forgé en I, en T ou en L.
Ces nouveaux moyens d’assemblage et les nombreux produits standard conduisirent à une architecture révolutionnaire utilisant comme matériaux de construction le fer, le bois et le verre. L’œuvre la plus significative de ce nouveau mouvement architectural fut celle de Joseph Paxton. Ce dernier développa, dans les années 1850, un ensemble de règles se rapportant à la construction métallique flanquée de panneaux de verre. En construisant de multiples prototypes, il établit les bases de l’architecture modulaire et mit en pratique les théories d’une préfabrication totale des composants du bâtiment. La construction la plus spectaculaire où Paxton appliqua l’ensemble de ses théories fut le Cristal Palace, construit en 1851 pour l’Exposition internationale de Londres.
Dès lors, le fer fut utilisé essentiellement pour ses qualités de légèreté structurale en accord avec les règles d’une architecture de verre où la pénétration de la lumière au sein des espaces intérieurs était privilégiée. La Lime Street Station de Londres, conçue par Turner et Locke, fut l’un des premiers ouvrages qui témoignait de cet engouement pour une architecture de verre et de fer. L’expansion soudaine des villes et du commerce encouragea la création d’ouvrages très différents (halles, bâtiments publics, commerces, passages couverts, marquises, etc.) privilégiant l’utilisation de ces deux matériaux.
Les progrès techniques réalisés dans le domaine de la production métallique contribuèrent à l’apparition d’un nouveau matériau, appelé acier. Ce dernier, dérivant directement du fer, apparut à la fin du XIXe siècle, modifiant une fois encore l’environnement de la construction. Les performances de ce nouveau matériau entraînèrent la modification des procédés d’assemblage, des techniques de laminage et des modèles de calcul. C’est également avec l’apparition de l’acier que les dimensions des produits fabriqués en usine deviennent importantes.
« La charpente métallique prit une rapide extension grâce au développement de nos grandes villes et de nos entreprises industrielles... Dès 1890 déjà on donna la préférence à l’acier pour la construction de grands bâtiments, en particulier pour les grands magasins de Bâle et de Zurich, comme aussi pour des hôtels à Lucerne et ailleurs... L’acier fut employé de plus en plus et, tout en restant inapparent, contribua à imprimer à nos villes leur cachet moderne. Entre 1890 et 1900, les grandes entreprises de l’industrie des machines et de l’énergie ne tardèrent pas à avoir recours à l’acier pour la construction de leurs ateliers et de leurs dépôts ».
- Brochure de l'Union des constructions suisses de pont et charpentes métalliques (Brochure VSB) -
Aux Etats-Unis, la situation de l’acier était à l’opposé de ce qu’elle était en l’Europe. L’acier, répondant de manière satisfaisante à la création de bâtiments de grande hauteur à coût modéré, fut alors énormément utilisé comme matériau de construction.
Deuxième moitié du XXe siècle
La période après la Seconde Guerre mondiale fut caractérisée par un besoin urgent de reconstruction. La rapidité d’exécution, l’économie des moyens et la rationalité étaient alors les contraintes à respecter par les concepteurs de l’époque. La construction métallique fut plébiscitée par les ingénieurs et les architectes, car elle répondait parfaitement à ces contraintes et pouvait bénéficier d’une industrie métallurgique très forte. Cela contribua à une utilisation à nouveau plus massive de l’acier comme matériau de construction. La reconstruction des quartiers berlinois détruits pendant la guerre fut un formidable banc d’essai pour la construction métallique.
Les années 70 furent marquées par l’apparition d’un nouveau type d’architecture basé sur la mise en valeur de la haute technologie. Cependant, il fallut attendre le milieu des années 80 pour entrevoir les premiers signes d’une architecture inventive, caractère de la construction en acier d’aujourd’hui.
Base de la conception
La conception de la structure porteuse d’une halle ou d’un bâtiment est basée sur son utilisation prévue, soit essentiellement ses caractéristiques de résistance (pour assurer une sécurité structurale suffisante) et de déformabilité (pour garantir une bonne aptitude au service). Elle est donc fortement influencée par les propriétés des matériaux qui la composent. Un projet de charpente métallique doit en conséquence être conçu et élaboré de façon à ce que les propriétés du matériau acier soient utilisées au mieux, soit sa haute résistance mécanique, sa grande ductilité et sa soudabilité.
Propriétés du matériau acier
Caractéristiques mécaniques
L’acier possède de très bonnes capacités de résistance lorsqu’il est soumis à la traction. En effet les valeurs de la limite d’élasticité et de la résistance à la traction de ce matériau sont très élevées. En compression, le comportement de l’acier est identique au comportement en traction, mis à part les phénomènes d’instabilité éventuels.
La densité de l’acier étant élevée, le concepteur doit au mieux éviter tout excès de matière qui augmente le poids propre de la structure de façon non économique. Ceci implique une organisation de la matière en ossature formée de fines barres métalliques, c’est-à-dire en squelette privilégiant la légèreté structurale. Les profilés composant les structures en acier ont donc des parois minces et les phénomènes d’instabilité prévalent lors d’efforts de compression, pouvant conduire à la ruine bien avant que les sollicitations n’atteignent la résistance ultime à la compression pure. Par conséquent, il faut utiliser au maximum la résistance à la traction de l’acier. Comme exemple, nous pouvons citer le cas du poteau, en général sollicité à la compression, qui peut être avantageusement remplacé par des suspentes tendues dans une ossature inversée, c’est-à-dire suspendue. Cependant un tel choix conceptuel demande une grande maîtrise des assemblages, car les efforts de traction sont plus difficiles à transmettre que les efforts de compression. En effet, ces derniers sont souvent transmis par simple contact. De plus, il convient de s’assurer que la complexité des pièces de liaison tendues ne conduisent pas à un coût prohibitif.
Résistance aux températures élevées
Dans le contexte d’un incendie, l’acier a mauvaise réputation, bien qu’il soit incombustible. On lui reproche de n’avoir qu’une faible résistance aux températures élevées et de faciliter la propagation du feu par conduction de chaleur. Les caractéristiques mécaniques de l’acier diminuent effectivement lorsque la température augmente, ce qui signifie qu’au cours d’un incendie, il peut y avoir risque d’effondrement de la structure. Il faut cependant noter que la sécurité des personnes en cas d’incendie est fortement influencée par d’autres paramètres comme la chaleur et les fumées toxiques, la résistance au feu n’étant pas le plus important.
Les caractéristiques mécaniques de l’acier sont influencées par la température. Certains aciers alliés (des aciers inoxydables ainsi que des nouveaux aciers dits résistants au feu) présentent une réduction moindre de la résistance mécanique en fonction de la température. Ainsi, certains aciers inoxydables ont encore, à 600°C, une limite d’élasticité fy d’au moins 60% de leur valeur à température ambiante (20°C).
Résistance à la corrosion
Pour assurer la durabilité de l’ouvrage exigée par l’utilisateur, il est nécessaire de compter sur la permanence des qualités essentielles de l’acier, en particulier ses propriétés mécaniques. Or, exposée à l’atmosphère, la surface de l’acier se détériore par corrosion. La forme de corrosion la plus courante est la corrosion uniforme, ou généralisée, qui se traduit par la formation de rouille. Ce produit, composé d’oxydes plus ou moins hydratés, ne se forme qu’en présence d’oxygène et d’eau à température ordinaire. Cette corrosion est dite aqueuse et représente la forme la plus fréquemment rencontrée en construction métallique.
La résistance à la corrosion dépend donc de la protection de l’acier. Une construction bien conçue, bien protégée et bien entretenue présentera une résistance à la corrosion pratiquement illimitée. L’une des principales catégories de protection contre la corrosion est le revêtement par peinture ou par zingage. L’autre catégorie de protection regroupe les types d’acier pour lesquels l’effet de la corrosion est quasiment nul, tels que les aciers patinables et les aciers inoxydables.
Les aciers patinables sont des aciers faiblement alliés dont certaines propriétés (résistance mécanique, aptitude au soudage, résistance à la corrosion) sont améliorées par rapport à celles des aciers courants. La protection est due à la formation d’une couche superficielle de rouille qui freine peu à peu l’attaque du métal. Le mécanisme d’autoprotection est dû à la présence dans ces aciers, donc dans la rouille, d’éléments d’alliage en faible teneur (cuivre, chrome, phosphore, nickel). Cependant, il faut savoir que ce mécanisme ne peut se développer que si le climat est tel que des périodes sèches succèdent à des périodes humides et que si l’atmosphère comporte peu d’impuretés acides et salines. L’avantage de ces aciers est qu’ils ne nécessitent aucune protection de surface et aucun entretien. Cependant, il est nécessaire d’adopter des détails de construction permettant d’éviter des coulures d’oxyde, dues aux eaux de pluie, sur le reste de l’ouvrage.
L’acier inoxydable, essentiellement utilisé sous forme de tôles et de tubes, est un matériau comportant au minimum 12% de chrome. Il est très résistant à la corrosion, pour autant que l’alliage soit bien choisi en fonction de la nature de l’environnement dans lequel se trouve l’élément de construction (atmosphère, eaux naturelles ou chlorées, milieux agressifs). Cette résistance à la corrosion est due à la présence d’un film superficiel invisible d’oxyde de chrome qui se forme spontanément à l’air libre et qui peut se reconstituer en cas de blessure. Les aciers inoxydables sont classés en trois grandes familles selon leur structure métallurgique: les aciers martensitiques, les aciers ferritiques et les aciers austénitiques. Chacune de ces familles regroupe des alliages de composition différente ayant des propriétés physiques assez voisines et un comportement semblable vis-à-vis de la corrosion. Les aciers austénitiques sont les plus utilisés dans le domaine de la construction, offrant à la fois de bonnes propriétés de résistance à la corrosion, de résistance mécanique, d’usinage et de soudabilité.
Caractéristiques d’isolation thermique et phonique
L’acier étant un matériau conducteur, ses capacités d’isolation thermique et phonique ne sont pas élevées. De plus, le manque de massivité des éléments de construction contribue à diminuer leurs qualités phoniques et thermiques. La conséquence en est que l’utilisation de l’acier seul comme matériau isolant n’est pas envisageable. Cependant une combinaison de l’acier avec d’autres produits donne lieu à des éléments à grandes capacités thermiques et phoniques.
L’exemple le plus caractéristique d’isolation thermique est donné par l’enveloppe des bâtiments réalisée en panneaux sandwiches, où l’acier est combiné avec des produits isolants tels que la laine de verre ou de pierre, la mousse polyuréthanne, le polystyrène expansé ou la mousse phénolique. L’aisance avec laquelle sont réalisés de tels panneaux pour les parties usuelles du bâtiment ne doit pas faire oublier les points délicats comme les joints, les angles, les ouvertures et les assemblages, où les risques de ponts thermiques sont importants et peuvent donner lieu à de la condensation.
Dans les toitures et les façades comportant des tôles d’acier, l’isolation phonique est due à leur étanchéité à l’air ainsi qu’à l’utilisation de panneaux isolants, de préférence en laine de verre ou de pierre à haute densité.
En conclusion, même si les caractéristiques d’isolation thermique et phonique de l’acier ne sont pas très satisfaisantes, son association judicieuse avec d’autres matériaux permet la réalisation d’éléments de construction dont les capacités d’isolation permettent de répondre aux exigences les plus courantes.
Coût
Outre ses caractéristiques mécaniques et physiques citées précédemment, l’acier possède d’autres facteurs permettant une diminution des coûts. En effet, en utilisant un squelette d’acier comme ossature primaire, on contribue à diminuer l’épaisseur des parois et à minimiser l’encombrement engendré par les porteurs verticaux, donc à augmenter la surface de plancher utilisable. Une autre diminution est due à l’utilisation d’aciers à haute limite d’élasticité dont le coût, bien que légèrement supérieur à celui des aciers ordinaires, est largement compensé par les gains de poids et de section réalisés.
Enfin l’acier peut, dans certains cas, être le seul matériau qui réponde aux contraintes économiques et techniques imposées. C’est le cas par exemple lorsque la topographie du terrain est mouvementée (sites pentus), où l’adaptation de l’ossature au sol et aux fondations est complexe ainsi que dans les zones sismiques, où la solution métallique est la plus performante grâce à la légèreté de la structure et à la ductilité du matériau.
Extrait du titre Charpentes métalliques Par Manfred A. Hirt et Michel Crisinel Dans la collection Traité de Génie Civil Publié aux Presses Polytechniques et Universitaires Romandes