Dans l’étude d’une structure en acier, la conception initiale d’ensemble constitue une étape importante qui permet de bien maîtriser le dimensionnement.
Cet article présente les bases de la conception d’un contreventement en toiture (poutre au vent) pour un bâtiment à simple rez-de-chaussée, ainsi que la terminologie usuelle. Il fait suite à la série d’articles portant sur la « Conception générale des bâtiments à simple rez-de-chaussée en charpente métallique ». On se limitera ici à la poutre au vent transversale, par opposition à une poutre au vent longitudinale qui fera l’objet d’un prochain article.
Il est à noter que des exigences supplémentaires non décrites dans cet article sont à considérer dans le cas d’une ossature soumise au séisme.
Fonctions assurées par une poutre au vent transversale
Généralités
Dans un bâtiment courant à simple rez-de-chaussée, la poutre au vent transversale a deux fonctions principales :
- Transmettre aux palées de stabilité verticales, les efforts horizontaux qui transitent par les pannes dus à l’action du vent en pignon ;
- Constituer un système rigide sur lequel vont s’appuyer les pannes pour empêcher le déplacement latéral en différents points des traverses des portiques.
Transmettre les efforts horizontaux des pannes aux palées de stabilité
Dans un bâtiment simple à base rectangulaire, l’action du vent qui s’exerce en pignon est en partie transmise, dans le plan de la toiture, aux pannes puis à la poutre au vent. Cette dernière va à son tour reporter les efforts sur les palées de stabilité verticales disposées suivant chaque long pan. Ces efforts sont ensuite repris en pied de poteau par les fondations. Voir la Figure 1.
Figure 1 : Cheminement des efforts horizontaux
Constituer un système rigide en toiture
Une structure doit présenter une rigidité suffisante dans toutes les directions de l’espace, notamment afin de limiter les déformations et de respecter les critères d’aptitude au service. La poutre au vent s’oppose aux déformations trop importantes dans le plan de la toiture afin d’éviter tout désordre dans la couverture, comme par exemple le cisaillement des fixations du bac de couverture sur les pannes.
De plus, la rigidité doit être assurée en phase provisoire comme en phase définitive . C’est pourquoi le montage d’une structure débute généralement par le système de contreventement.
Stabiliser les traverses des portiques
Le système de contreventement en toiture a également pour rôle de réduire la sensibilité des traverses des portiques aux instabilités (flambement hors plan du portique, déversement) par l’intermédiaire de pannes ou de butons.
Notons que dans le cas d’une poutre au vent, seules les pannes liées à un nœud du système triangulé que constitue la poutre au vent peuvent être considérées comme des maintiens latéraux pour les traverses. Pour qu’une section puisse être considérée comme parfaitement maintenue vis-à-vis du flambement hors plan et du déversement, il convient qu’elle soit bloquée en déplacement latéral (panne) et en rotation autour de l’axe longitudinal de la traverse, ce qui peut nécessiter la présence d’un bracon. Voir les Figures 2 et 3.
Voir le paragraphe 5.3.3 de la norme NF EN 1993-1-1 pour plus de détails sur l’analyse des systèmes de contreventement.
Figure 2 : Maintiens latéraux vis-à-vis des instabilités – poutre au vent
Figure 3 : Représentation du flambement hors plan d’une traverse de portique, maintenue latéralement
Conception de la poutre au vent
Il est d’usage de placer la poutre au vent au droit des palées de stabilité, formant ainsi le système de stabilité du bâtiment dans la direction du long-pan. Celui-ci se situe généralement à proximité d’un pignon, ce qui permet d’envisager une extension future plus facilement sans avoir recours à des joints de dilatation.
Pour les sections des diagonales, il est fréquent d’utiliser des cornières simples ou doubles. Ce choix permet de considérer les diagonales comprimées comme inactives car ayant flambé. Pour ce faire, il est nécessaire que les diagonales présentent un élancement réduit compris entre 1,5 et 2,5. De la sorte, les diagonales sont dimensionnées vis-à-vis de la traction uniquement, ce qui est très économique.
En ce qui concerne les montants de la poutre au vent, ces derniers doivent en revanche être dimensionnés vis-à-vis de la flexion et de l’effort axial, ce qui peut nécessiter des sections plus importantes, afin de réduire leur élancement.
Références
[1] NF-EN 1993-1-1 : Eurocode 3 – Calcul des structures en acier – Partie 1-1 : Règles générales et règles pour les bâtiments – AFNOR – Octobre 2005
[2] A. Rodier (2021). Conception des bâtiments simples à ossature en acier (version de travail). CTICM. 149p.
[3] M. Hirt, M. Crisinel (2001). Traité de génie civil de l’École polytechnique fédérale de Lausanne, Volume 11 – Charpentes métalliques, conception et dimensionnement des halles et bâtiment. Presses polytechnique et universitaire romandes. 714p.
Guillaume Delacourt, ingénieur recherche construction métallique, CTICM