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Structure porteuse

Structure porteuse des bâtiments : principes et innovations

La structure porteuse d’un bâtiment regroupe les éléments assurant sa stabilité et transmettant les charges au sol. Concepts de base et innovations


La structure porteuse d’un édifice peut être considérée comme un squelette invisible, une colonne vertébrale visant à soutenir et garantir la stabilité, la résistance et la sécurité de toute la construction au fil du temps.

Dans cet article, nous nous proposons d’explorer le concept de structure porteuse afin d’approfondir les principes de base et d’examiner de plus près les récentes innovations technologiques dans le domaine de la conception structurelle en construction.

Qu’entend-on par structure porteuse d’un bâtiment ?

La structure porteuse d’un bâtiment fait référence à l’ensemble des éléments structurels tels que poutres, piliers, fondations et autres éléments, conçus pour supporter les charges agissantes (y compris le poids propre de la structure, les charges verticales, les charges horizontales, etc.) afin d’assurer la stabilité, la résistance et la sécurité de la construction dans son ensemble.

La structure porteuse a donc pour objectif de soutenir le poids du bâtiment lui-même, ainsi que tout chargement supplémentaire tel que les personnes, les meubles, les équipements, etc. De plus, elle est responsable de la répartition des forces et des pressions générées par le vent, les tremblements de terre, les actions accidentelles et autres charges externes.

La structure porteuse doit être en mesure de résister à ces sollicitations et de les transférer au sol de manière sûre et efficace, afin de garantir la sécurité et l’intégrité des occupants du bâtiment. Les principales composantes d’une structure porteuse comprennent : 

  • les fondations : partie inférieure de la structure qui transfère les charges verticales au sol. Les fondations peuvent être superficielles ou profondes selon les caractéristiques du sol ;
  • les structures porteuses verticales (poteaux et colonnes) : incluent les éléments verticaux soutenant les charges des étages supérieurs du bâtiment et les transférant aux fondations ;
  • les structures porteuses horizontales (poutres et planchers) : comprennent les éléments s’étendant horizontalement et reliant les poteaux ou les colonnes pour distribuer les charges horizontales telles que celles dues au vent ou aux tremblements de terre ;
  • les murs porteurs : certains bâtiments peuvent avoir des murs qui jouent un rôle porteur et contribuent ainsi à la résistance et à la stabilité de la structure ;
  • le système de couverture : ensemble des éléments (comme la charpente) destinés à supporter le poids de la couverture et à résister à l’action des charges externes telles que la pluie, la neige, le vent et autres facteurs environnementaux.
Composants de la structure porteuse

Composants de la structure porteuse

Quelles sont les structures porteuses d’un bâtiment ?

Il existe plusieurs types de structures utilisées dans la construction des bâtiments, chacune ayant des caractéristiques spécifiques en termes de performances structurelles, de coûts et de flexibilité de conception.

Cependant, on peut regrouper les nombreux types de structures porteuses en trois catégories principales, en fonction du système de construction adopté : 

  1. structure à murs porteurs : un type de structure porteuse qui utilise des murs verticaux pour supporter les charges verticales et horizontales dues au poids propre du bâtiment et aux actions externes, transférant les sollicitations aux fondations. Les murs porteurs sont placés stratégiquement le long du plan du bâtiment et peuvent être réalisés dans différents matériaux tels que la maçonnerie, le béton armé ou des panneaux préfabriqués multicouches. Ce système exploite la capacité de résistance à la compression des matériaux pour absorber et distribuer les sollicitations structurelles. Les murs porteurs offrent une bonne résistance aux charges et peuvent contribuer à la stabilité globale du bâtiment. Cependant, le système à murs porteurs peut limiter la flexibilité de conception et peut nécessiter des épaisseurs murales plus importantes pour supporter des charges plus lourdes ;
  2. structure à ossature : ce système repose sur l’utilisation de poutres horizontales et de poteaux verticaux travaillant ensemble pour créer un squelette porteur extrêmement résistant. Les poutres transfèrent la charge horizontale aux colonnes ou poteaux, qui à leur tour la distribuent aux fondations. Ce système offre une plus grande flexibilité de conception par rapport aux murs porteurs, car il permet de concevoir des espaces ouverts et de grandes ouvertures. Les poutres et les poteaux peuvent être réalisés dans différents matériaux tels que l’acier ou le béton armé, selon les besoins structurels. Ce système est souvent utilisé dans les grands bâtiments tels que ceux à usage commercial ou industriel, où une plus grande flexibilité des espaces internes est requise ;
  3. structure mixte : fait référence à un type de structure combinant les caractéristiques des deux systèmes précédents. Dans ce système, les murs porteurs travaillent en synergie avec les poutres et les poteaux pour créer une structure intégrée et résistante. Ce système offre une combinaison de résistance structurelle et de flexibilité de conception. Les matériaux utilisés peuvent varier en fonction des spécifications du projet et des performances requises. Le système mixte est souvent utilisé dans les bâtiments de taille moyenne à grande, où il est nécessaire d’atteindre un équilibre entre la stabilité structurelle et le design architectural.
Types de structure porteuse

Types de structure porteuse

Les matériaux traditionnellement utilisés dans les structures porteuses

Les structures porteuses des bâtiments peuvent également être classées en fonction des matériaux utilisés dans leur construction. Nous examinerons ci-dessous quelques-uns des types structurels les plus courants : 

  • structure en maçonnerie porteuse : l’un des types les plus anciens et traditionnels. Elle utilise des briques ou des blocs de pierre liés par du mortier pour créer des murs porteurs. La maçonnerie peut être réalisée dans différents matériaux tels que des briques d’argile, des blocs de béton ou de la pierre naturelle, ou des éléments en brique. La maçonnerie porteuse est appréciée pour sa résistance au feu et aux intempéries, mais peut être limitée en termes de flexibilité de conception et de résistance sismique ;
  • structure en béton armé : représente le type le plus courant et polyvalent, permettant de réaliser des structures à ossature composées de poutres et de poteaux. Elle associe le béton, un matériau résistant à la compression, à l’acier, résistant à la traction. Cette combinaison crée un matériau composite offrant une bonne résistance, stabilité et durabilité dans le temps. Les structures en béton armé sont utilisées pour un large éventail de bâtiments, des habitations civiles aux bâtiments commerciaux et industriels ;
  • structure en acier : largement utilisée dans l’architecture moderne. L’acier offre plusieurs avantages, notamment une résistance mécanique élevée, une légèreté et la possibilité de préfabrication. Les structures en acier offrent une plus grande flexibilité de conception. Leur polyvalence permet de réaliser de larges ouvertures, des espaces ouverts et des formes architecturales complexes. Cependant, il est important d’adopter des mesures de protection contre la corrosion pour garantir l’intégrité des éléments structurels en acier dans le temps et contre le feu ;
  • structure en bois : l’utilisation du bois pour créer la structure porteuse d’un bâtiment est un choix durable et écologique. Il s’agit d’un matériau naturel offrant une bonne résistance à la compression et à la traction, très léger et facile à travailler, et garantissant une flexibilité adéquate dans la conception des espaces. Les structures en bois offrent une excellente résistance sismique et une isolation thermique élevée. Cependant, elles peuvent nécessiter des protections spécifiques contre l’humidité, les insectes et le feu.

Exemples de structures porteuses innovantes

Au cours des dernières années, avec l’avènement de technologies innovantes, de nouveaux types de structures ont été développés, offrant des avantages supplémentaires en termes de résistance, de légèreté et de flexibilité de conception, et proposant des solutions créatives et durables pour la construction des bâtiments. Examinons quelques-unes des innovations les plus intéressantes dans ce domaine : 

  • structures porteuses préfabriquées : basées sur l’utilisation d’éléments structuraux fabriqués dans un lieu différent du site principal de construction, puis transportés et assemblés sur place. Cette méthodologie offre de nombreux avantages, tels qu’une construction plus rapide, une réduction des coûts et un meilleur contrôle de la qualité. Les structures porteuses préfabriquées peuvent inclure des éléments tels que des poteaux, des poutres, des panneaux muraux et des planchers, qui sont produits avec la plus grande précision et efficacité dans des usines spécialisées. L’adoption de cette méthodologie accélère non seulement le processus de construction, mais contribue également à améliorer la sécurité sur le chantier et à réduire les déchets de matériaux ;
  • structures porteuses à ossature hybride : ces structures combinent différents matériaux, tels que l’acier et le bois, pour exploiter les avantages des deux. L’acier offre résistance mécanique et durabilité, tandis que le bois offre un confort thermique et un aspect esthétique naturel. Ces structures porteuses sont utilisées pour la construction de bâtiments résidentiels et commerciaux, offrant une plus grande flexibilité de conception ainsi qu’une réduction de l’impact environnemental ;
  • structures porteuses en matériaux composites : les matériaux composites renforcés combinent des fibres de verre ou de carbone avec des résines polymères, et sont utilisés pour créer des structures légères à haute résistance. Ces matériaux sont connus pour leur durabilité et nécessitent peu d’entretien. Leur capacité à atteindre des résistances exceptionnelles et à offrir une grande flexibilité les rend particulièrement adaptés aux bâtiments de haute technologie, tels que les gratte-ciels ou les structures aérospatiales ;
  • structures porteuses à membrane tensostatique : ce sont des systèmes qui exploitent l’utilisation de membranes textiles tendues pour créer des structures légères et flexibles. Les membranes tensostatiques peuvent être fabriquées à partir de matériaux tels que le polyester ou le PTFE, et sont tendues entre des poteaux ou des poutres pour créer des espaces couverts. Elles sont largement utilisées dans les toits de stades, les espaces récréatifs et les structures temporaires ;
  • structures porteuses en impression 3D : la technologie d’impression 3D a été appliquée à la construction de structures porteuses pour permettre la création de formes complexes et personnalisées. Cette technique peut être utilisée pour créer des éléments structuraux en béton ou d’autres matériaux, réduisant ainsi les délais de construction et la consommation de ressources. Les structures porteuses imprimées en 3D offrent également la possibilité de concevoir des formes optimisées sur le plan structurel ;
  • structures porteuses durables : la prise de conscience croissante de l’environnement a conduit au développement de structures porteuses intégrant des principes de durabilité et d’efficacité. Il s’agit de structures utilisant des matériaux recyclables, une conception basée sur l’efficacité énergétique et l’intégration de systèmes d’énergie renouvelable. Ces structures visent à réduire l’impact environnemental des bâtiments et à promouvoir une plus grande efficacité énergétique ;
  • structures en acier à haute résistance : ce sont des structures qui exploitent l’utilisation d’aciers spéciaux aux propriétés mécaniques supérieures à celles de l’acier traditionnel. Ces aciers à haute résistance offrent une capacité accrue à supporter les charges et les efforts, permettant la réalisation de structures porteuses plus légères et élancées. Les structures en acier à haute résistance sont utilisées dans différentes applications, telles que les gratte-ciels, les ponts et les structures industrielles. Elles offrent une combinaison de performances structurales exceptionnelles et une économie notable de matériaux ;
  • structures en matériaux à mémoire de forme : les matériaux à mémoire de forme sont des matériaux qui peuvent retrouver leur forme d’origine après avoir été déformés. Les structures porteuses peuvent tirer parti de la capacité de ces matériaux, tels que les alliages nickel-titane, à s’adapter à différentes conditions de charge et de déformation. Ces matériaux peuvent être utilisés pour créer des éléments structuraux qui se réparent automatiquement ou s’adaptent aux variations des conditions environnementales. Les structures en matériaux à mémoire de forme trouvent des applications dans différents secteurs, tels que le bâtiment, l’aérospatiale et l’automobile, offrant une approche innovante et adaptable à la conception structurelle.

La conception des structures porteuses d’un bâtiment

Les structures porteuses représentent l’un des éléments cruciaux de la conception et de la construction des bâtiments. Dans la conception d’une structure porteuse, il est essentiel de prendre en compte plusieurs facteurs, notamment les charges verticales et horizontales, ainsi que les forces sismiques et de vent qui peuvent agir sur le bâtiment.
L’utilisation de logiciels spécifiques pour le calcul structurel joue un rôle crucial dans la garantie de la précision, de l’efficacité et de la sécurité de l’ensemble du processus. Ces outils permettent aux ingénieurs de modéliser les structures de manière détaillée et précise, en tenant compte de toutes les charges et forces agissant sur le bâtiment.

En particulier, l’utilisation de cet outil offre plusieurs avantages : 

  • modélisation détaillée : vous créez des modèles tridimensionnels détaillés des structures et visualisez clairement et précisément chaque composant du bâtiment et son interaction avec les charges appliquées ;
  • analyse des charges : vous effectuez des analyses avancées des charges verticales et horizontales agissant sur le bâtiment, et obtenez des résultats détaillés et précis qui guident le processus de conception ;
  • simulations sismiques et de vent : grâce à la capacité à simuler les forces sismiques et de vent, vous évaluez de manière précise la réponse structurelle du bâtiment et prenez les mesures nécessaires pour garantir sa stabilité et sa sécurité ;
  • économie de temps et de ressources : grâce à l’automatisation de nombreuses opérations de calcul et d’analyse, vous réduisez considérablement les délais et les coûts associés au processus de conception, tout en garantissant des résultats de haute qualité et professionnels.
Conception des structures porteuses - Edilus

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