Poutre HEA : caractéristiques et différences avec les IPE

Lorsque nous sommes confrontés à une conception structurelle, les éléments qui composeront notre projet sont nombreux et pour chacun d’eux, nous devrons sélectionner les meilleures caractéristiques géométriques, dimensionnelles et de performance. Heureusement, pour nous aider dans ce travail complexe, il existe des logiciels de calcul structurel qui nous offrent une solution modulaire pour chaque défi.

Parmi les éléments structurels les plus importants, nous trouvons certainement la poutre, disponible sur le marché en différentes sections et dimensions selon l’ampleur de la structure. Parmi les poutres les plus performantes, celles du groupe HE se distinguent sans aucun doute. Mais à quoi doivent-elles leurs hautes performances ? Combien de types existent et en quoi diffèrent-elles des profilés IPE ? Découvrons lé ensemble ! 

Que signifie le terme poutre ?

Le terme poutre désigne un élément structurel ayant l’une des dimensions prédominantes, réalisé en métal ou en un autre matériau, destiné à transférer une sollicitation, tendanciellement transversale à son axe géométrique, des sections soumises à la charge jusqu’aux contraintes. Contraintes qui assurent la poutre au contexte environnant et garantissent son équilibre externe.

D’autres caractéristiques fondamentales de cet élément structurel sont : 

• longueur supérieure à toutes les autres dimensions ;
• capacité de supporter des charges appliquées dans la direction de son axe principal sur une certaine longueur, appelée portée, calculée entre deux appuis.

Nous avons vu comment, en fonction de la configuration géométrico-spatiale, et par conséquent également structurelle, diverses types de poutres se distinguent, comme la poutre à genou, la poutre en porte-à-faux ou la poutre à épaisseur.

Une autre distinction est faite en amont en fonction des caractéristiques dimensionnelles et de la section principale des poutres elles-mêmes. Cette classification distingue les poutres en : 

• Profilés IPE : caractérisés par une section en forme de I, dite à ailes étroites ;
• Profilés HE : ont une section en forme de H, dite à ailes larges et nous verrons qu’elles se distinguent à leur tour en HEA et HEB ;
• Poutres UNP : caractérisées par une section en forme de U ;
• Poutre en L, C, Z ou T ;
• Poutre rectangulaire creuse ;
• Poutre circulaire creuse.

Parmi ces types, les plus répandus restent les profilés IPE et HE, dont l’utilisation accrue est due à leur meilleure efficacité sous charges de flexion. La section principale de ces deux profilés, en effet, nous montre comment le matériau est concentré sur les ailes, c’est-à-dire sur les parties les plus éloignées du centre de gravité de la section, augmentant ainsi leur rigidité en flexion. Pour cette raison, ces types de poutres sont couramment utilisés dans les structures en acier pour les bâtiments et les ponts.

Quelle est la différence entre les poutres IPE, HE et UNP ?

Comme nous l’avons mentionné dans le paragraphe précédent, en fonction de la figure géométrique qui décrit le mieux leur section, les poutres se distinguent en trois catégories principales : 

• Poutres IPE : dans l’acronyme IPE, le I indique la forme de la section tandis que PE signifie Profil Européen et désigne des éléments de construction en forme de barre ou de poutrelle ou poutres avec une surface interne des flasques parallèle et des dimensions avec des tolérances de production. La version la plus courante dans ce groupe d’éléments structurels est le profil IPE standard. Dans ces poutres, la section a, comme nous l’avons dit, la forme de la lettre majuscule “I”, constituée de deux ailes “étroites” une supérieure et une inférieure, reliées par une partie centrale. Leur section les rend particulièrement adaptées à supporter les sollicitations de flexion et elles sont largement utilisées dans la construction de planchers.
• Poutres HE : les poutres HE sont également appelées “à ailes larges” et leur section a la forme caractéristique d’un “H” majuscule. Ce type de poutres se divise encore en fonction de l’épaisseur des ailes, de légères à lourdes. Contrairement aux poutres IPE, leur section particulière les rend résistantes aux moments fléchissants et réduit le risque d’effondrement élastique, ce qui fait que les poutres HE sont particulièrement utilisées pour les fondations.
• Poutres UNP : ce type de poutres est caractérisé par une section en forme de “U” majuscule et est principalement utilisé dans des applications commerciales et industrielles, ainsi que dans des machines et équipements de construction.

Profils IPE, HE, UNP

Qu’est-ce qui rend la poutre HE plus performante que les autres ?

Pour expliquer pourquoi les profilés en section H sont les plus performants, avec ceux en IPE, il est indispensable de faire une brève introduction à la sollicitation à laquelle les poutres, en général, doivent répondre : le moment fléchissant.

Ce type de sollicitation est celui que la poutre subit lorsqu’une charge transversale l’oblige à se plier, d’où le nom de moment fléchissant. Cette sollicitation induit clairement dans la poutre des efforts qui sont de traction et de compression et qui varient linéairement le long de la section du matériau. La formule qui permet de quantifier ces efforts le long d’une section spécifique de la poutre est la formule de Navier selon laquelle l’effort σ augmente avec le moment fléchissant et en allant vers l’extérieur de la section. Ce concept est justement important pour expliquer l’efficacité de la forme en H de la poutre.

Venons en donc à nous, et comprenons où réside «le secret» des poutres HE ! 

Dans la formule de Navier, un autre terme fondamental est le moment d’inertie de surface I. Cette quantité est définie par une intégrale de surface et représente la résistance d’une surface à tourner autour d’un axe de rotation. Plus le moment d’inertie est grand, moins les efforts générés dans la section pour un moment fléchissant donné sont importants. Ainsi, l’objectif est que cette quantité soit la plus grande possible, et comment l’obtenir ? Pour obtenir un plus grand moment d’inertie, il suffit de répartir le matériau disponible le plus loin possible du centre de la section, c’est exactement ce qui se passe dans les profilés en HE ! 

Dans les poutres en section H, en effet, le matériau disponible est utilisé de manière plus efficace, en le plaçant de préférence sur les ailes, qui supportent la majorité des efforts puisque, comme nous l’avons dit précédemment, les efforts dus au moment fléchissant sont maximaux vers l’extérieur de la section.

Quelle est la différence entre une poutre HEA et une poutre HEB ?

Comme mentionné précédemment, les profilés HE se divisent encore en fonction de l’épaisseur des ailes qui peut être légère, normale ou lourde. Cette caractéristique importante est indiquée dans l’abréviation du profilé par une troisième lettre. Plus précisément : 

• HEA est la version légère
• HEB est la version normale

Il existe ensuite une troisième version, HEM, qui est celle où l’épaisseur des ailes est lourde.

HEA,HEB, HEM

Prenant comme exemple l’image ci-dessus, pour un profil HEA avec des dimensions allant jusqu’à 300 mm, la hauteur “h1” est inférieure à la largeur des ailes “b”. Au-delà de cette dimension, la hauteur du profil augmente tandis que la largeur des ailes reste constante à 300 mm.

Pour le profil HEB, jusqu’à la dimension de 300 mm, la hauteur “h1” et la largeur des ailes “b” sont égales. Comme pour le profil HEA, au-delà de cette dimension, la hauteur du profil augmente tandis que la largeur des ailes reste constante à 300 mm.

Dans le cas des profils HEM, la hauteur “h1” est supérieure à la largeur des ailes “b”.

Concernant le moment d’inertie, qui, comme nous l’avons dit, exprime la résistance d’un corps à tourner autour d’un axe de rotation, pour une même grandeur, le profil HEA est le plus léger. Ses dimensions seront supérieures à celles du profil HEB et surtout par rapport à celles du profil HEM.

Tous les profils du groupe HE sont particulièrement adaptés pour des constructions métalliques grandes et complexes telles que : des entrepôts industriels, des salles de sport, des bâtiments commerciaux et administratifs, etc.

Encore une fois, il apparaît que la conception structurelle nécessite une attention et une mise à jour constantes, c’est pourquoi mon conseil est d’intégrer dans votre flux de travail le logiciel BIM avec solveur d’éléments finis intégré pour le calcul structurel. Profitez en maintenant et essayez le gratuitement pendant 30 jours ! 

Points clés de l’article

• La poutre est un élément structurel avec une dimension prédominante, conçu pour transférer des charges transversales aux appuis.
• Parmi les principales typologies de poutres, nous trouvons IPE (ailes étroites), HE (ailes larges : HEA, HEB, HEM), UNP (en U) et d’autres sections spécifiques (L, C, Z, T, rectangulaires et circulaires creuses).
• Les poutres HE se distinguent par leur résistance aux moments fléchissant et par leur capacité portante supérieure par rapport aux autres profils.
• Les poutres HEA, avec des ailes larges mais plus fines, sont conçues pour garantir légèreté et résistance optimale, étant idéales pour des constructions légères mais stables.
• Les poutres HE sont utilisées pour des entrepôts industriels, des bâtiments commerciaux, des salles de sport et des structures métalliques complexes.

Questions fréquentes sur les Poutres HEA

Pourquoi les profilés HE sont-ils considérés comme plus performants par rapport à d’autres types de poutres ?

Les profilés HE (et aussi les IPE) sont considérés comme performants grâce à leur efficacité à résister au moment fléchissant, c’est-à-dire la sollicitation qui se produit lorsqu’une charge transversale fait fléchir la poutre. Leur forme en « H » (ou « I » pour les IPE) permet de maximiser le moment d’inertie de surface (I) de la section. Un moment d’inertie plus élevé signifie que, pour un moment fléchissant donné, les efforts générés dans la section seront inférieurs. La forme en H permet de répartir le matériau le plus loin possible du centre de la section, en le concentrant surtout dans les ailes, qui sont les parties les plus sollicitées par la flexion.

Qu’est-ce que le moment fléchissant et comment influence-t-il le choix du type de poutre ?

Le moment fléchissant est la sollicitation subie par une poutre lorsqu’elle est soumise à une charge transversale qui la plie. Cette sollicitation induit des efforts de traction et de compression qui varient linéairement le long de la section de la poutre. La formule de Navier quantifie ces efforts, démontrant qu’ils augmentent avec l’augmentation du moment fléchissant et avec la distance du centre de la section. Pour résister à des moments fléchissants élevés, il est préférable d’utiliser des poutres avec un moment d’inertie élevé, comme les profilés HE et IPE, qui concentrent le matériau dans les ailes pour maximiser la résistance à la flexion.

Dans quels types de constructions les profilés HE sont-ils couramment utilisés ?

Les profilés HE, grâce à leur robustesse et leur polyvalence, sont largement utilisés dans des constructions métalliques grandes et complexes, telles que des entrepôts industriels, des salles de sport, des bâtiments commerciaux et administratifs, et d’autres structures nécessitant une grande résistance et stabilité.

Que signifie «moment d’inertie» et pourquoi est-il important dans le choix d’une poutre ?

Le moment d’inertie est une propriété géométrique de la section transversale d’une poutre qui représente sa résistance à tourner autour d’un axe. Plus le moment d’inertie est élevé, plus la résistance de la poutre à la flexion est importante pour une sollicitation donnée.

C’est un facteur crucial dans la conception structurelle car il influence directement les efforts et les déformations à l’intérieur de la poutre. C’est pourquoi il est important de choisir un type de poutre (ex. HE ou IPE) qui maximise le moment d’inertie, afin de réduire les efforts et garantir la stabilité de la structure.

Quels sont les principaux matériaux utilisés pour fabriquer les poutres HEA ?

Les poutres HEA sont généralement fabriquées en acier structural, un matériau qui garantit une grande résistance mécanique et d’excellentes propriétés de durabilité. Certaines variantes peuvent être galvanisées pour améliorer la résistance à la corrosion, en particulier dans des environnements humides ou agressifs.