Conception des poutres en acier avec ouvertures dans l’âme

Dans les bâtiments, l’utilisation de poutres en acier à section en I avec une ou plusieurs ouvertures de grandes dimensions dans l’âme présente des avantages substantiels décrits dans cet article. Les conceptions les plus courantes sont décrites, ainsi que les formes d’ouvertures les plus fréquemment utilisées en pratique.

Intérêt des ouvertures dans les âmes

Par rapport aux poutres à âmes pleines, les poutres à section en I avec ouvertures dans l’âme permettent le passage de gaines, canalisations et divers conduits techniques à travers le profilé. Ainsi, une réduction significative de la hauteur de chaque étage du bâtiment peut être obtenue.

Lorsque les poutres, avec ouvertures régulièrement espacées, sont fabriquées à partir de profilés laminés à chaud selon le mode de fabrication de la Figure 1, elles présentent les avantages suivants :

• Augmentation de l’inertie en flexion autour de l’axe principal de la section ;
• Augmentation des modules de résistance plastique et élastique de la section pour la flexion autour de l’axe principal ;
• Possibilité d’utilisation de membrures différentes pour la partie supérieure et la partie inférieure de la poutre ;
• Economie de matière et de poids.

NOTE    De telles poutres présentant des membrures supérieure et inférieure différentes sont généralement destinées à constituer des poutres mixtes acier-béton. La membrure supérieure est alors la plus faible car elle est proche du centre de gravité et contribue peu à la rigidité et à la résistance en flexion de la poutre mixte.

Mode de fabrication

Trois méthodes de fabrication existent pour obtenir des poutres avec ouvertures dans l’âme (voir [1]) :

• À partir de profilés reconstitués par soudage :
  • Découpe d’une ou plusieurs ouvertures dans l’âme, avant ou après le soudage des plats formant la section. Ce procédé peut être utilisé pour obtenir des ouvertures isolées ou régulièrement espacées.
• À partir de profilés laminés à chaud :
  • Découpe d’une ou plusieurs ouvertures dans l’âme. Ce procédé est généralement utilisé pour obtenir des ouvertures isolées.
  • Découpe du profilé sur toute sa longueur suivant un tracé spécifique. Les parties supérieure et inférieure sont décalées, puis soudées de façon continue (voir Figure 1). Ce procédé est utilisé pour obtenir des ouvertures régulièrement espacées. L’augmentation de la hauteur totale de la section est de l’ordre de 50% et l’augmentation de l’inertie est de l’ordre de 120% [2]. Ce mode de fabrication s’applique aux poutres avec des ouvertures de forme circulaire, hexagonale ou sinusoïdale.

Forme des ouvertures

Les ouvertures isolées sont généralement de forme circulaire ou rectangulaire (voir Figure 2).

NOTE    Conformément aux Recommandations de la CNC2M [3], le rayon aux angles d’une ouverture rectangulaire doit être supérieur ou égal à 15 mm.

Les ouvertures régulièrement espacées sont généralement de forme circulaire, hexagonale ou sinusoïdale (voir Figure 3a) à c)). Il est également possible d’obtenir des ouvertures régulièrement espacées de forme octogonale ou oblongue en insérant des plats dans le plan de l’âme entre les parties inférieure et supérieure de la poutre d’origine (voir Figure 3d) et e)). Ces conceptions, nécessitant des étapes de soudage supplémentaires, sont moins courantes.

NOTE    Les poutres à ouvertures régulièrement espacées de forme circulaire sont souvent appelées poutres cellulaires. Les poutres à ouvertures régulièrement espacées de forme hexagonale sont généralement appelées poutres alvéolaires.

Les exigences à respecter concernant les dimensions des ouvertures et des sections ajourées seront données dans un prochain article.

Raidisseurs autour des ouvertures

Afin de limiter le risque d’instabilités locales, des raidisseurs peuvent être ajoutés autour des ouvertures. Des raidisseurs longitudinaux, constitués de plats soudés de part et d’autre de l’âme, peuvent être positionnés au-dessus et en-dessous de l’ouverture. Ces plats doivent être prolongés au-delà des extrémités de l’ouverture de façon à assurer un ancrage sur l’âme.

En alternative, ces raidisseurs horizontaux peuvent être constitués de plats soudés d’un seul côté de l’âme et complétés de raidisseurs transversaux soudés aux deux extrémités de l’ouverture sur l’autre côté de l’âme (voir Figure 4). Il est moins fréquent de mettre en place les deux types de raidisseurs sur les deux côtés de l’âme, une telle conception complexifiant l’exécution.

Pour les ouvertures circulaires, il est possible de mettre en place des raidisseurs annulaires (voir Figure 5). Ceux-ci sont souvent réalisés en soudant un tronçon de tube circulaire sur le pourtour de l’ouverture.

Le raidissage des ouvertures permet d’éliminer certains modes de ruine spécifiques aux poutres avec ouvertures dans l’âme. Ces modes de ruine seront décrits dans un prochain article.

Références

[1] Lawson, R.; Hicks, S. Publication P355: Design of Composite beams with large web openings. SCI. 2011.

[2] Martin, P.– O. Conception des bâtiments multi-étagés à ossature métallique ou mixte. Collection CTICM. 2023.

[3] CNC2M – N0199 : Recommandations pour le dimensionnement des poutres en acier avec ouvertures dans l’âme selon la NF EN 1993. BNCM. Juillet 2015.

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Maxime Lebastard, ingénieur de recherche – CTICM