Stabilité des structures

Un bâtiment est soumis à des actions horizontales comme l’action du vent, les effets indirects d’action comme la neige, les actions variables comme les chocs, les efforts de freinages ou d’accélérations (ponts roulants), et les actions sismiques.

Les écarts inévitables entre l’étude théorique (géométrie parfaite, liaisons idéales) et l’exécution, les tolérances de fabrication et d’implantation, peuvent engendrer des excentrements d’efforts et des défauts d’aplomb.

1.1.   Stabilité d’une structure plane

La stabilité d’un portique peut être obtenue par deux types de conception :

-          bâtiments à nœuds fixes :

o   les barres sont articulées entre elles ;

o   la stabilité est réalisée par un élément en traction : barre de contreventement.

-          Bâtiment à nœuds déplaçables :

o   Les barres sont encastrées ;

o   La stabilité est assurée par les barres elles-mêmes.

La terminologie employée rend compte de la valeur du déplacement horizontal associé à l’effort F ; on peut s’en convaincre en traitant les 2 exemples suivants :

Avec   F=46,6 kN ;    B₁ et B₃ : HEA 200

            L=7m              B₂ : IPE 300

            H=4m             B₄ : 2 cornières 60×60×6

On trouve les déplacements Δ₁=1,72mm et Δ₂=35,5mm

Les structures à nœuds fixes sont moins déformables, mais elles conduisent à un encombrement de l’espace intérieur.

Exemples de structures à nœuds fixes :

-          inversion des efforts horizontaux (vent), il faut contreventer en croix de St André

-          Aménagement d’un gabarit intérieur

-          Mur de contreventement

Un mur faiblement ouvert (surface des ouvertures <25% surface totale) peut contribuer efficacement à la stabilité nécessaire.

1.2.   Stabilité d’une structure tridimensionnelle

La structure 3D est considérée comme un système composé de 3 structures planes dont il faut s’assurer de la stabilité.

1 stabilité longitudinale de la structure 3D

2 stabilité transversale de la structure 3D

3 stabilité horizontale de la structure 3D

3 parois au moins, pleines ou rigides, orthogonales entre elles, assurent le contreventement de l’ossature.

-          contreventement par un plancher, des murs de refends et/ou des murs de façades.

Ossatures poutres-poteaux:

Dans la solution a) l’ossature est stable vis-à-vis des actions horizontales A et B, grâce aux deux contreventements en croix de St André, disposés dans l’angle. En revanche, l’action C induit un déplacement important, en tête du pignon non contreventé.

La solution b) limite cet inconvénient et conserve un gabarit de passage. Toutefois, localement la stabilité verticale des poutres longitudinales en toiture n’est pas encore assurée.

 Dans la solution c), la mise en place de pannes transversales en partie supérieure permet de résoudre ce problème. Néanmoins, elles ne suffisent pas pour limiter la flèche horizontale des poutres longitudinales. Il faut prévoir une « poutre au vent » dans la solution d) qui contrevente la toiture et limite les déformations du plan de couverture.

Exemple :

La stabilité des pignons et la stabilité longitudinale sont assurées par des palées de stabilité (croix de St André).

La stabilité transversale en partie courante (sauf pignons) est réalisée par des portiques autostables (structures à nœuds déplaçables).

La stabilité horizontale est réalisée par un cadre en treillis au niveau de la toiture non déformable.

Remarques :

-          la palée de stabilité dans le sens longitudinal est généralement unique et placée au milieu du bâtiment pour permettre la libre dilatation thermique du bâtiment ;

-          un remplissage en maçonnerie entre les poteaux métalliques, dans le sens longitudinal et/ou transversal réalise un contreventement ;

-          un plancher B.A (ou bac acier collaborant) permet d’assurer la stabilité horizontale du bâtiment ;