Éléments structuraux : quels sont-ils et comment les vérifier ?

Dans le domaine de l’architecture et de l’ingénierie civile, les éléments structuraux jouent un rôle vital dans la réalisation de bâtiments stables, sûrs et fonctionnels. Ces éléments constituent l’ossature porteuse du système de construction et ont pour mission de collaborer de manière synergique pour soutenir et répartir la charge de manière équilibrée, garantissant ainsi la stabilité de l’ensemble du bâtiment.

Récemment, l’utilisation de technologies avancées telles que l’openBIM et le format IFC (Industry Foundation Classes) a révolutionné la manière dont ces composants sont conçus, représentés et gérés, améliorant la collaboration entre les différents professionnels et augmentant l’efficacité des projets de construction. Un exemple significatif de cette évolution est représenté par le schéma IfcStructuralElementsDomain, qui permet une représentation détaillée et standardisée des éléments structuraux, soutenant une gestion plus précise et une communication sans barrières entre les divers acteurs du processus de construction.

Si vous souhaitez approfondir votre compréhension des éléments structuraux, lisez l’article et découvrez les détails qui vous fourniront une vision complète sur la conception et la vérification de ces composants. De plus, pour relever avec succès les défis liés à la stabilité et à la sécurité dans les constructions, il peut vous être utile de commencer à utiliser gratuitement pendant 30 jours un logiciel de calcul structurel. Grâce à ses fonctionnalités avancées de calcul et de simulation, vous pouvez analyser et vérifier les éléments structuraux de vos bâtiments de manière précise et rapide pour améliorer l’efficacité et la sécurité de votre travail.

Que sont les éléments structuraux ?

Les éléments structuraux sont les composants fondamentaux d’un bâtiment ou d’une infrastructure et, dans leur ensemble, forment l’ossature porteuse à laquelle est confiée la responsabilité de soutenir et de transférer les charges, de résister aux forces internes et externes et de fournir stabilité, sécurité et support à la structure dans son ensemble.

Des exemples courants d’éléments structuraux incluent les piliers, les poutres, les murs porteurs, etc. Ces éléments prennent différentes formes, chacune conçue pour jouer un rôle spécifique dans la garantie de la cohésion et de la robustesse de l’ensemble du système structurel. Ils peuvent également être réalisés dans différents matériaux, tels que le béton armé, l’acier, le bois ou des matériaux composites fibrés. Le choix du matériau et la configuration à attribuer à chaque élément dépendront des besoins spécifiques du projet, ainsi que du type de structure que l’on souhaite réaliser et de considérations précises sur la sécurité et la stabilité de l’ouvrage.

Au-delà de leur fonction porteuse, il est essentiel de reconnaître que les éléments structuraux peuvent également jouer un rôle significatif du point de vue esthétique. Cet aspect devient particulièrement crucial dans des contextes architecturaux où ces éléments doivent non seulement supporter les charges physiques, mais doivent également contribuer de manière significative à l’esthétique globale du bâtiment. Dans ces situations, la conception des éléments structuraux nécessite une intégration équilibrée entre l’ingénierie structurelle et le design architectural, afin de garantir que la forme et la disposition des piliers, poutres et autres éléments reflètent non seulement la robustesse structurelle, mais aussi une vision esthétique cohérente avec le design global du bâtiment.

Résultats du calcul des coefficients de sécurité issu du logiciel EdiLus

12 composants fondamentaux d’une structure bâtiment

Chaque bâtiment, qu’il s’agisse d’une maison résidentielle, d’un complexe commercial ou d’une grande infrastructure industrielle, est constitué de différents éléments structuraux fondamentaux qui travaillent ensemble pour garantir la stabilité, la sécurité et la fonctionnalité globale. Comprendre le rôle de chaque composant est essentiel pour concevoir et réaliser des bâtiments qui soient sûrs, résistants et durables. Ci-dessous sont décrits les 12 composants principaux:

1. fondation : c’est la base sur laquelle repose l’ensemble du bâtiment et a pour tâche de transférer les charges de la structure au sol. C’est l’un des éléments les plus importants pour la stabilité globale, car une conception incorrecte de la fondation peut compromettre l’ensemble de la construction. Il existe différents types de fondations, comme celles superficielles (pour des bâtiments plus légers) et celles profondes (pour des terrains instables ou des bâtiments très lourds), et le choix dépend du type de sol et de la charge structurelle prévue ;
2. piliers : ce sont des éléments verticaux qui supportent la charge provenant des étages supérieurs et la transfèrent aux fondations. Ils peuvent être réalisés en divers matériaux comme le béton armé, l’acier, le bois ou la pierre, et sont conçus pour résister principalement à des forces de compression. Leur taille et leur distribution sont fondamentales pour garantir une répartition uniforme des charges verticales et pour maintenir l’équilibre structurel ;
3. poutres : ce sont des éléments horizontaux fondamentaux pour transférer les charges des surfaces supérieures (comme les planchers ou les toits) aux piliers. Elles peuvent être réalisées en divers matériaux et prendre différentes formes (par exemple poutres en treillis, poutres en console ou poutres en porte-à-faux), selon les besoins de conception. Leur fonction principale est de distribuer la charge de manière uniforme vers les piliers, évitant ainsi des déformations excessives ;
4. murs : ce sont l’un des éléments les plus visibles et fonctionnels d’un bâtiment. En plus de diviser les espaces intérieurs, les murs porteurs jouent un rôle crucial dans le soutien des charges verticales et dans la fourniture de stabilité latérale. Les murs porteurs peuvent être réalisés en maçonnerie, en béton armé ou en matériaux composites, et sont conçus pour résister aux forces de compression et sismiques. Dans certains cas, les murs non porteurs sont utilisés à des fins de séparation ou esthétiques, mais ils doivent également garantir la sécurité et la fonctionnalité ;
5. planchers : ce sont les structures horizontales qui séparent les différents niveaux d’un bâtiment. Ils sont conçus pour distribuer les charges verticales et pour fournir un support aux espaces supérieurs. Les planchers peuvent être réalisés en béton, en acier ou en bois, et leur conception doit tenir compte des sollicitations auxquelles ils sont soumis, comme le poids des personnes, des meubles et des équipements. De plus, ils doivent garantir une isolation acoustique et thermique ;
6. toit : c’est la partie supérieure d’un bâtiment qui le protège des intempéries, comme la pluie, la neige, le vent et le soleil. Il doit être conçu pour supporter des charges lourdes (comme la neige ou le vent) et pour garantir une bonne imperméabilité et ventilation. Les toits peuvent être en pente, plats ou en dôme, et sont réalisés avec différents matériaux, comme des tuiles, de la tôle, du béton ou des matériaux imperméabilisants. De plus, il est important que le toit soit correctement intégré à la structure sous-jacente pour éviter les infiltrations d’eau ;
7. escaliers : ce sont des éléments verticaux qui permettent la connexion entre les différents niveaux d’un bâtiment. Ils sont conçus pour garantir la sécurité lors de l’utilisation, avec des rampes et des marches antidérapantes. Les escaliers peuvent être réalisés en divers matériaux, comme le béton, l’acier ou le bois, et leur conception doit respecter les normes de sécurité, comme la largeur des marches, la pente et la résistance à la charge. Ils peuvent être internes ou externes au bâtiment, selon les besoins ;
8. fenêtres : ce sont des ouvertures dans les murs destinées à garantir l’éclairage naturel, la ventilation et la connexion visuelle avec l’extérieur. En plus de jouer une fonction esthétique, les fenêtres doivent être conçues pour résister aux intempéries, tout en offrant de bonnes performances thermiques et acoustiques. Elles peuvent être réalisées en bois, PVC ou aluminium, avec des verres simples ou doubles, selon les besoins d’isolation ;
9. portes : ce sont des ouvertures qui permettent l’accès et la sortie d’un bâtiment ou d’une pièce. Elles doivent garantir la sécurité, en empêchant les accès non autorisés, mais aussi permettre une circulation facile. Les portes peuvent être réalisées en différents matériaux, comme le bois, le verre, le métal ou le PVC, et leur conception doit répondre à des exigences fonctionnelles spécifiques, comme la protection contre les incendies, la résistance aux effractions et le contrôle acoustique ;
10. niveaux : représentent les différents niveaux horizontaux d’un bâtiment. Chaque niveau est constitué d’une surface solide (plancher) qui sert de support pour les espaces et les meubles. Les niveaux doivent être conçus pour supporter des charges spécifiques, garantissant une répartition uniforme des forces et empêchant des déformations structurelles. La conception des niveaux doit également tenir compte des espaces intérieurs, des besoins d’accès et de circulation, et de la distribution des charges ;
11. structure porteuse : c’est l’ensemble de tous les éléments principaux (piliers, poutres, planchers, etc.) qui constituent le squelette du bâtiment. Elle est conçue pour garantir que le bâtiment puisse supporter les charges auxquelles il est soumis (charges permanentes, variables, sismiques, etc.) sans subir de dommages structurels. Une conception correcte de la structure porteuse est fondamentale pour la sécurité et la stabilité du bâtiment dans le temps ;
12. finishes : ce sont les éléments esthétiques finaux qui confèrent au bâtiment son apparence extérieure et intérieure. Les finitions comprennent les revêtements de sol, les peintures, les revêtements muraux, les plafonds, et d’autres détails qui contribuent non seulement à l’esthétique, mais protègent également les matériaux sous-jacents de l’usure et des intempéries. Bien qu’elles n’aient pas de fonction porteuse, les finitions sont cruciales pour le confort et la durabilité du bâtiment dans le temps.

Éléments structuraux primaires et secondaires

Les éléments structuraux d’un bâtiment se divisent en primaires et secondaires, selon leur rôle et leur importance dans la structure porteuse.

Les éléments structuraux primaires sont ceux qui jouent le rôle principal dans la garantie de la résistance et de la stabilité du bâtiment. Ces éléments sont conçus pour supporter les charges verticales et horizontales, les transférant aux fondations ou à d’autres composants structuraux. Les piliers, par exemple, sont responsables de soutenir le poids du bâtiment et de le transférer aux fondations.

Les éléments secondaires sont constitués de ces éléments dont la rigidité et la résistance peuvent être négligées dans l’analyse de la réponse sismique de la structure et qui sont donc conçus pour résister uniquement aux charges verticales. Ce sont des éléments qui peuvent être considérés comme de moindre importance par rapport aux éléments principaux. Cependant, il est important de noter que, malgré leur définition d’« éléments secondaires », ces éléments doivent tout de même être capables d’absorber les déformations de la structure en cas d’action sismique. Cela signifie que, bien qu’ils ne contribuent pas de manière significative à la résistance et à la rigidité structurelle sous l’action des charges, les éléments structuraux secondaires doivent être capables de maintenir leur capacité portante face aux charges verticales, en particulier en présence d’actions sismiques.

Comment concevoir et vérifier les éléments structuraux

La conception et la vérification des éléments structuraux est un processus complexe qui nécessite une connaissance approfondie de l’ingénierie structurelle et des normes techniques du secteur. Ci-dessous sont fournis quelques étapes générales que vous pourrez suivre durant ce processus pour garantir la sécurité, la stabilité et la fonctionnalité de vos structures:

1. analyse des actions : la première phase consiste à analyser et à déterminer les actions qui agiront sur les éléments structuraux. Ces actions incluent la charge permanente (comme le poids propre de l’élément) et la charge variable (comme la charge des occupants, l’action du vent, etc.). Il est nécessaire de considérer également d’éventuelles actions sismiques, si applicables ;
2. choix des matériaux : en fonction des caractéristiques de la structure, comme le type de charge et les conditions environnementales, il est nécessaire de sélectionner les matériaux les plus appropriés pour les éléments structuraux. Par exemple, pour les poutres et les piliers, on pourrait utiliser de l’acier ou du béton armé ;
3. conception préliminaire : sur la base des principes de l’ingénierie structurelle et des normes de référence, une conception de masse des éléments structuraux est effectuée. Cette phase prévoit la détermination des dimensions, des sections transversales et des géométries des éléments ;
4. analyse structurelle : en utilisant des méthodes d’analyse structurelle, comme le calcul par éléments finis ou l’analyse aux états limites, les performances des éléments structuraux sous les actions prévues sont évaluées. L’objectif est de vérifier que les éléments sont capables de supporter les charges et de garantir la stabilité structurelle ;
5. vérification de la résistance : on procède à la vérification de la résistance des éléments structuraux pour s’assurer que les tensions et les efforts internes sont inférieurs aux capacités de résistance des matériaux utilisés. Cette vérification doit être effectuée en fonction des normes et des règles de conception prévues dans la zone géographique où la structure est réalisée ;
6. vérification de la stabilité : en plus de la résistance, il est nécessaire de vérifier la stabilité globale de la structure et des éléments structuraux individuels. Cette vérification prend en compte des phénomènes critiques tels que le renversement, le glissement et l’effondrement latéral. Elle sert à s’assurer que la structure est correctement contrainte et que des mesures nécessaires sont prises pour contrer ces phénomènes ;
7. vérification des déformations : une vérification supplémentaire consiste à contrôler les déformations des éléments structuraux. Cela implique l’analyse des déformations élastiques et des déformations plastiques, pour garantir qu’elles restent dans des limites acceptables et qu’elles ne compromettent pas la fonctionnalité du bâtiment ;
8. vérification des connexions : lors de la conception, il est également nécessaire de vérifier les connexions structurelles entre les différents éléments (comme les nœuds entre les poutres et les piliers, ou les liaisons entre les murs porteurs) afin de garantir une transmission correcte des forces et une bonne capacité de résistance.

Pour optimiser le processus de conception et de vérification des éléments structuraux, il est indispensable de s’appuyer sur l’aide d’un logiciel pour le calcul structurel, un outil basé sur le BIM qui vous fournit des représentations graphiques claires et immédiates des résultats de calcul directement sur le modèle BIM de votre bâtiment. En exploitant les puissantes capacités de simulation de cet outil, vous pourrez effectuer des analyses structurelles précises, vérifier la résistance et la stabilité de vos éléments structuraux et obtenir des résultats fiables dans des délais très courts. Essayez le gratuitement pendant trente jours et découvrez toutes les fonctionnalités qui vous permettront de simplifier votre travail, de gagner un temps précieux, de réduire la marge d’erreur et d’assurer la sécurité et la fiabilité maximales de vos projets structuraux.

IfcStructuralElementsDomain et la nouvelle frontière de la conception structurelle

Dans le secteur de la construction, de plus en plus numérisé, des concepts tels que openBIM et IFC sont devenus fondamentaux. L’openBIM est une approche collaborative qui utilise des normes ouvertes permettant à tous les participants de partager des informations sans limitations dues aux logiciels propriétaires, et l’un des standards les plus pertinents dans l’openBIM est le format IFC, qui fournit un langage commun pour la représentation numérique des éléments de construction, facilitant la communication entre architectes, ingénieurs et constructeurs. Le domaine IfcStructuralElementsDomain est une partie fondamentale de la norme IFC, car il permet de représenter une large gamme d’éléments structuraux et de sous-parties des bâtiments, comme les fondations, les renforts et les caractéristiques spéciales.

Mais que signifie exactement représenter un élément structurel dans le contexte d’un projet BIM ? Imaginez que vous devez décrire en détail chaque composant d’une structure complexe, comme une colonne ou une fondation. Le schéma IfcStructuralElementsDomain est conçu pour faire précisément cela : fournir une description précise, standardisée et compréhensible pour chaque composant structurel, aidant les différents acteurs du projet à comprendre sa fonction et son rôle.

IfcStructuralElementsDomain: éléments structuraux représentés, quantités et propriétés

Le schéma IfcStructuralElementsDomain inclut divers types d’éléments structuraux. Parmi les principaux, nous trouvons : 

• fondations : éléments comme des pieux (IfcPile) et des semelles (IfcFooting) qui sont utilisés pour distribuer le poids du bâtiment au sol. Le schéma inclut également des types spécifiques comme IfcCaissonFoundation, adapté aux terrains instables ;
• renforts : éléments comme des barres d’armature (IfcReinforcingBar) et des treillis de renfort (IfcReinforcingMesh) qui sont essentiels pour augmenter la résistance du béton armé ;
• caractéristiques spéciales : composants comme des tendons (IfcTendon) et des éléments de vide (IfcVoidingFeature), importants pour les structures en béton précontraint.

Ces détails non seulement décrivent les composants physiques, mais permettent également l’analyse et le coordination des interactions entre les parties, garantissant la sécurité et la stabilité de la construction.

Types d’éléments structuraux représentés par IfcStructuralElementsDomain

Le schéma IfcStructuralElementsDomain offre également la possibilité d’associer propriétés et quantités aux éléments structuraux pour améliorer la gestion du projet. Un exemple de property sets est représenté par le Pset_FootingCommon qui fournit des informations sur la fondation, comme le matériau et le type d’armature ou par le Pset_ReinforcementBarPitchOfBeam qui définit le pas des barres de renforcement dans une poutre. Tandis que les quantity sets comme Qto_FootingBaseQuantities permettent de calculer des volumes, des surfaces et d’autres métriques, optimisant ainsi la gestion des coûts et la planification des opérations sur le chantier.

IfcStructuralElementsDomain: ensembles de propriétés des éléments en béton

Avantages de l’utilisation d’IfcStructuralElementsDomain

L’adoption du schéma IfcStructuralElementsDomain apporte de nombreux avantages pratiques pour les architectes, les ingénieurs et les propriétaires de bâtiments, tels que : 

1. meilleur coordination : la représentation standardisée des éléments structuraux permet à tous les professionnels d’accéder aux mêmes informations, réduisant les erreurs et augmentant l’efficacité ;
2. optimisation des coûts : avec des informations détaillées sur les matériaux et les quantités, il est possible d’optimiser l’achat des matériaux, de réduire les déchets et de maintenir le contrôle sur les coûts de construction. De plus, la gestion précise des ressources améliore également la planification des opérations sur le chantier ;
3. fiabilité et sécurité : l’utilisation d’un schéma standardisé permet aux ingénieurs de réaliser des analyses précises sur la résistance et la stabilité des structures, contribuant à garantir la sécurité du bâtiment et à minimiser les risques.