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Qu’est-ce qu’une structure à ossature et comment la concevoir

Tout ce que vous devez savoir sur les structures à ossature : matériaux utilisés, types de comportement statique, techniques de conception

La structure à ossature dans la construction, composée de poutres et de piliers, représente un élément fondamental dans la conception des bâtiments et joue un rôle crucial dans la stabilité et la durabilité d’une structure.

Dans cet article, nous verrons les aspects les plus importants concernant les structures à ossature en identifiant les éléments qui les caractérisent, les différentes typologies en relation avec les différents matériaux utilisés et les différentes catégories de comportement statique.

De plus, nous vous montrerons avec une vidéo comment il est simple et rapide de modéliser des structures à ossature avec un logiciel BIM de conception des structures.

Visualisation graphique d'une structure à ossature

Visualisation graphique d’une structure à ossature

Qu’est-ce qu’une structure à ossature

La « structure à ossature » est un système structurel composé d’une charpente de poutres et de poteaux formant un ensemble de cadres. Le cadre, défini comme l’élément structurel composé de deux piliers verticaux et d’une poutre horizontale connectés de manière rigide, se répète à la fois sur le plan horizontal et vertical. Cette disposition permet une continuité statique et une utilisation efficace de l’espace avec des encombrements planimétriques limités.

Les poteaux – éléments verticaux inter-étages – peuvent être alignés (formant une colonnade) ou espacés les uns des autres en fonction de la lumière optimale pour les planchers, suivant une maille régulière de forme carrée, rectangulaire ou triangulaire. Les poutres, éléments horizontaux de niveau, sont disposées en succession et constituent la charpente des structures à ossature.

Les structures à ossature travaillent principalement en flexion et en cisaillement, en compression et en flexion-compression. Les poteaux et les poutres sont les éléments clés de cette structure. Le poteau, élément vertical porteur, transmet des charges de la structure supérieure à la fondation, subissant des charges verticales et horizontales, des sollicitations de contrainte normale, de moment fléchissant ou de flexion-compression.

La poutre, similaire au poteau mais avec des dimensions supérieures, est définie géométriquement comme un solide généré à partir d’une figure plane en mouvement dans l’espace, restant orthogonale aux trajectoires décrites par son axe. Les poutres peuvent être principales ou secondaires, avec différentes sections telles que rectangulaires ou profilées en I, T, L, C, H, etc., afin de réduire le poids et d’optimiser l’utilisation du matériau en fonction des sollicitations.

Les poutres peuvent également présenter des sections allégées, telles que des profils tubulaires, à caisson, ou treillis. Les poutres à caisson, adaptées aux grandes portées, sont constituées de sections creuses fermées avec des éléments de raidissement internes. Les poutres treillis, composées de tiges verticales et diagonales, sont idéales pour les efforts axiaux et peuvent être connectées aux nœuds, fournissant un système de tiges sollicitées en compression ou en traction, selon la position dans le treillis.

Types de structures à ossature

La structure à ossature peut être divisée en différentes typologies en relation à la fois avec les matériaux et le comportement statique. Voyons ensemble ces différences.

Matériaux

Les matériaux généralement utilisés pour les structures à ossature sont le béton armé, l’acier et le bois.

Structures en béton armé

Les structures à ossature en béton armé pour les bâtiments, soumises à des actions horizontales, peuvent garantir la stabilité grâce à la mise en œuvre de nœuds structuraux dans les travées. Ces nœuds agissent comme des dissipateurs d’énergie, en insérant des armatures supplémentaires pour prévenir l’expulsion du béton lors d’événements sismiques. En alternative, on peut utiliser des murs en béton armé, appelés « parois », ou noyaux de raidissement, comme pièces verticales.

Les poteaux et poutres dans les structures à ossature en béton armé peuvent prendre différentes formes, telles que carrée, en U, en T, en L ou en I. Les poutres peuvent varier en hauteur, en épaisseur et peuvent être extradosées. Les structures peuvent être coulées sur place avec des barres d’acier positionnées dans des coffrages, garantissant une bonne continuité de transmission des sollicitations à travers l’ancrage des barres métalliques dans les coulées.

Une solution plus rapide est l’utilisation de blocs-coffrages dans lesquels le béton est coulé. Dans ces solutions, les poteaux peuvent être réalisés avec des blocs qui accueillent l’armature, et les poutres peuvent être constituées de blocs creux. Pour des structures entièrement préfabriquées ou semi-préfabriquées, différentes configurations peuvent être adoptées, garantissant une bonne flexibilité d’utilisation et des coûts de production et de montage limités.

Structures en acier

Les structures à ossature en acier sont utilisées pour les bâtiments civils et industriels. Dans les ossatures longitudinales, les bâtiments civils présentent des structures verticales, tandis que les bâtiments industriels ont des structures horizontales avec des contreventements longitudinaux. Les bâtiments avec des ossatures longitudinales peuvent incorporer des contreventements verticaux, internes ou en façade, pour augmenter la rigidité à la flexion. De plus, pour les bâtiments de grande hauteur dans les zones sismiques, des solutions peuvent être conçues où les supports verticaux ne résistent qu’aux charges verticales et des structures rigides gèrent les forces horizontales.

Les structures en charpente métallique impliquent l’assemblage sur site de profilés et de laminés par boulonnage ou soudage. Celles-ci peuvent être pleines, en caisson ou en treillis. Les assemblages poutre-poteau peuvent se faire par différentes techniques, telles que le boulonnage, la soudure ou l’appui sur des consoles. Les structures avec des systèmes industrialisés rendent la construction plus économique, permettant la préfabrication et l’organisation du transport et du montage.

Structures en bois

Les structures à ossature en bois peuvent être réalisées en bois massif ou en lamellé-collé. Les assemblages peuvent être effectuées par boulonnage, clouage ou assemblage avec adhésif. Les portées des poutres et la taille des mailles structurelles varient en fonction des besoins, avec des solutions en bois offrant une flexibilité de conception et de montage.

Les assemblages entre poutres et poteau peuvent se faire par des équerres, des plaques clouées ou soudées, des boulons ou des plaques métalliques internes. Le raidissement contre les actions horizontales peut être obtenu à travers des panneaux de remplissage, des panneaux de plancher ou des treillis métalliques. Les structures à ossature en bois peuvent être particulièrement adaptées aux constructions résidentielles.

Comportement statique

En ce qui concerne le comportement statique, nous pouvons avoir les catégories suivantes.

Ossatures isostatiques

Les ossatures isostatiques sont des structures statiquement déterminées, ce qui signifie qu’il est possible de résoudre complètement toutes les réactions et les forces internes en utilisant les équations d’équilibre. Ces ossatures se caractérisent par un nombre suffisant de contraintes pour assurer la stabilité et la détermination du système. Les exemples incluent les ossatures rectangulaires et triangulaires, où les contraintes aux jonctions assurent une résolubilité claire des forces internes.

Ossatures hyperstatiques

Les ossatures hyperstatiques sont des structures statiquement indéterminées, ce qui signifie que le nombre d’appuis et de réactions aux appuis n’est pas suffisant pour résoudre complètement toutes les réactions et les forces internes. Ces ossatures nécessitent de l’utilisation de méthodes plus avancées, telles que la méthode des forces ou la méthode des déformations, pour obtenir une solution. Les exemples incluent les ossatures avec un excès de supports ou des poutres encastrées, qui nécessitent une approche plus sophistiquée dans la détermination des forces internes.

Ossatures à nœuds fixes

Les ossatures à nœuds fixes se caractérisent par des jonctions rigides entre les poutres et les poteaux. Cela signifie que les nœuds ne peuvent pas tourner et que l’ossature peut résister aux déformations sans permettre de déplacements significatifs aux jonctions. Ces ossatures sont souvent utilisées dans des situations où une rigidité et une résistance à la déformation plus élevées sont nécessaires.

Ossatures à nœuds mobiles

Les ossatures à nœuds mobiles se caractérisent par des assemblages flexibles entre les poutres et les poteaux. Cela signifie que les nœuds peuvent tourner, permettant une plus grande flexibilité dans le comportement structurel. Ces ossatures sont souvent utilisées dans des situations où une plus grande adaptabilité aux déformations est requise ou pour gérer des charges variables.

Représentation d'un nœud d'une structure à ossature en acier

Représentation d’un nœud d’une structure à ossature en acier

Éléments constitutifs de l’ossature structurelle : poteaux et poutres

Voici une série d’informations concernant les poutres et les poteaux de différents matériaux.

Poteaux et poutres en béton armé

Lors de la conception, du calcul et de la réalisation des poteaux et des poutres en béton armé, il est fondamental de respecter les normes des lois en vigueur.

Les poteaux en béton armé, pour simplifier le processus de construction, prend souvent une forme carrée ou rectangulaire, rarement circulaire. La disposition des barres d’acier longitudinales est fondamentale et peut varier en fonction des sollicitations dans l’élément. La morphologie et la disposition des barres sont influencées par les conditions de charge et d’assemblage. L’armature longitudinale, placée pour résister aux sollicitations de traction, est complétée par une armature transversale constituée d’étriers de petit diamètre pour éviter les dilatations et les fléchissements latéraux.

Les poteaux des derniers étages, avec des charges réduites, peuvent avoir des dimensions plus petites mais nécessitent un pourcentage plus élevé de fer pour résister à des sollicitations telles que la poussée du vent. Les entailles dans les piliers internes et périphériques sont réalisées pour équilibrer les charges dans chaque section, garantissant une résultante barycentrique.

Les poteaux en béton armé peuvent être coulés sur place ou préfabriqués. Les barres et les étriers des poteaux préfabriqués sont généralement de diamètre inférieur à ceux des poteaux coulés sur place.

En ce qui concerne les poutres, celles-ci exploitent les caractéristiques mécaniques du béton pour résister aux sollicitations de compression, tandis que l’acier, sous forme de barres d’acier, gère les actions de traction. Pour des portées jusqu’à 8-10 mètres, on peut utiliser des poutres en béton armé à section pleine ; pour des portées supérieures à 12 mètres, un double système de poutres principales et secondaires est recommandé. Pour des portées encore plus grandes, on peut recourir à des poutres en béton armé précontraint.

Pour garantir la sécurité en cas d’incendie, l’armature en acier des poteaux et des poutres doit être correctement recouverte d’au moins 2 cm de béton (enrobage), augmenté à 4 cm dans des environnements agressifs.

Le choix des dimensions optimales des poutres dépend de divers facteurs, y compris le rapport base/hauteur et l’orientation de la poutre appuyée, encastrée ou en console.

Structure à ossature en béton armé réalisée avec Edilus

Structure à ossature en béton armé réalisée avec Edilus

Poteaux et poutres en acier

Les poteaux en acier peuvent prendre différentes formes, telles que des profils circulaires, carrés ou rectangulaires, ainsi que des profilés de type HE, caractérisés par une moindre vulnérabilité aux effets d’instabilité dus à la minceur. Alternativement, il est possible de réaliser un poteau en combinant des demi-produits qui, par le biais de connexions, constituent des éléments composites. Le type de connexion entre les éléments composites influence le comportement structurel : le boulonnage et le vissage nécessitent des éléments mobiles et des trous préalables, tandis que la soudure, grâce à la fusion métallique, évite le besoin de trous, obtenant ainsi des éléments monolithiques. Pour le calcul des structures en acier, vous pouvez utiliser un logiciel de conception de structures en acier.

La capacité portante d’un poteau métallique est influencée par sa minceur, qui guide à son tour le choix de la section transversale. Les profils tubulaires circulaires offrent la plus grande inertie à la flexion latérale, tandis que les sections carrées montrent un bon comportement sous des charges concentrées. Cependant, l’utilisation de ces profils est limitée en raison des difficultés et des coûts associés à l’assemblage avec d’autres éléments structurels. Les sections ouvertes sont soumises à la flexion et, pour des charges critiques, également à la torsion. Les sections IPE et HE sont les plus couramment utilisées.

La poutre en acier peut être conçue comme un mur plein (avec des profilés à section simple ou composite), en caisson ou en treillis. Les profilés « double T » sont couramment utilisés comme poutres porteuses, tandis que d’autres types tels que « C », « L », « T », etc., sont utilisés pour former des poutres composites ou en treillis. La hauteur de la poutre simple à « double T » dépend du moment de flexion agissant sur la poutre. En cas de hauteur excessive d’un profil, il est possible d’utiliser des éléments jumeaux espacés et connectés séparément au poteau ou couplés entre eux.

L’assemblage entre les différentes parties d’un poteau composite en acier se fait à 40-50 cm au-dessus du plancher. Les deux morceaux de poteau peuvent avoir la même section ou des sections différentes, et l’assemblage peut se faire par soudure ou boulonnage.

La poutre pleine est principalement utilisée pour couvrir de grandes portées avec des charges élevées, telles que les ponts routiers et ferroviaires.

Les poutres en treillis, composées d’éléments disposés selon un treillis, sont adaptées pour couvrir des portées intermédiaires et se caractérisent par une résistance et une ductilité élevées. Le choix entre des poutres continues ou non continues dépend des conditions des joints. L’assemblage entre les composants de la poutre en treillis peut être réalisée avec des boulons ou des soudures.

La vérification des poutres en acier comprend la vérification des contraintes, des déformations et des instabilités locales.

Structure à ossature en acier réalisée avec Edilus

Structure à ossature en acier réalisée avec Edilus

Poteaux et poutres en bois

Les poteaux en bois, souvent réalisés avec des sections en forme de T ou de I creux ou par l’assemblage d’éléments, présentent une excellente résistance à la compression et à la flexion. Cependant, des poteaux trop élancés et insuffisamment ancrés dans leur longueur peuvent être sujets à des phénomènes d’instabilité, avec une flexion latérale possible due à des charges concentrées. Ces phénomènes peuvent être accentués par la présence de nœuds, de déviations des fibres du bois, d’une faible rigidité du matériau ou de charges excentriques.

Les poutres en bois simples peuvent avoir des formes coniques ou rectangulaires, selon le profil du bois.

Les poteaux et poutres en bois lamellé sont constitués de couches successives de lames de bois sélectionnées et collées entre elles (lamelles). Ces éléments présentent une résistance mécanique élevée, sont résistants aux variations hygrothermiques et montrent une faible vulnérabilité aux attaques de parasites et au feu.

Grâce à l’utilisation de bois lamellé collé ou de nouveaux matériaux composites, il est possible de donner aux poutres des formes différentes, telles que des poutres à section effilée, angulaire, courbe longitudinalement ou en treillis, en fonction des besoins structurels spécifiques.

Le critère de dimensionnement pour une poutre en bois massif sera différent de celui d’une poutre en bois lamellé, car le choix du matériau influence le comportement, caractérisé par différentes élasticités et déformations des différentes parties.

Structure à ossature en bois réalisée avec Edilus

Structure à ossature en bois réalisée avec Edilus

Comment concevoir une structure à ossature : vidéo

Voici une vidéo qui vous permet de comprendre comment utiliser un logiciel de conception structurelle pour la modélisation et le calcul de la structure à ossature.

 

 

edilus
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