Calcul Halle Metallique
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Introduction :
Les constructions mtalliques constituent un domaine important d'utilisation des produits lamins sortis de la forge. Elles emploient, en particulier, les tles et les profils. Les structures constitues partir de ces lments ncessitent des oprations pralables de dcoupage, de perage et de soudure en usine. Les oprations sur site sont limites des assemblages de modules primaires aprs des oprations de levage ou de ripage, permettant de rapprocher les zones d'assemblage. Le cot lev des matriaux de base conduit rechercher le poids minimal et dvelopper l'emploi de l'acier pour des domaines trs spcifiques permettant de mettre en valeur les qualits suivantes : la lgret, la rapidit de mise en uvre, l'adaptation aux transformations ultrieures et les proprits mcaniques leves (limite lastique, ductilit, rsistance la fatigue).
boulons ou assemblage par soudage. Les conditions aux limites des lments ainsi ralises au travers des assemblages ont une incidence directe sur la distribution des sollicitations dans les lments et donc sur leur choix. Il en rsulte que la conception dune ossature mtallique doit viser une dfinition simultane des barres et de leurs assemblages.
Etapes de dimensionnement :
Le dimensionnement dune structure mtallique se droule presque toujours dans lordre des tapes suivantes: 1 dessin de lossature principale ; 2 dfinition des actions appliques la structure ; 3 choix des barres de lossature sur la base dun pr dimensionnement ou de lexprience ; 4 modlisation de la structure, analyse globale et dtermination des sollicitations dans les barres ; 5 vrifications diverses des barres ; 6 conception et vrification des assemblages.
Construction mtallique :
Une ossature mtallique est constitue de barres ou poutres mtalliques relies entre elles par des assemblages. Une barre ou une poutre dsigne une pice prismatique caractrise par sa section droite. Les deux dimensions de la section droite sont en gnral petites devant la longueur de la pice, ce qui lui donne un aspect filaire. La disponibilit dune trs grande varit de sections ou profils permet de faire les choix les plus judicieux en fonction des exigences du projet. La liaison des barres ou des poutres entre elles seffectue en fonction des efforts transmettre dun lment lautre et de la technique dassemblages retenue : assemblage par
Notre Construction :
Cest un hall industriel en RDC, tablit dans la rgion de SBA, dans un site expos, les figures suivantes contient Les dtails : Wn = 90 daN/m Sn = 55 daN/m Type de couverture : TN40 Coefficient de permabilit : 40 %
a Construction ferm :
1 Parois verticales : On applique : Soit une dpression : Ci = -0,6(1,3 ob - 0,8) = -0,2 Soit une pression : Ci = +0,6(1,8 1,3 ob ) = +0,39
b Construction ouverte :
1 Parois verticales : 2 Versants : Soit une dpression : AB : Ci = -0,6(1,3 ob -0,8) = -0,2 Autres : Ci = +0,8
B Vent CD : ob =0,88
a Construction ferm :
1 Parois verticales : On applique : Soit une dpression : Ci = -0,6(1,3 ob -0,8) = -0,20 Soit une pression : Ci = +0,6(1,8 1,3 ob ) = +0,39
b Construction ouverte :
1 Parois verticales : CD : Ci = +0,6(1,8 1,3 ob) = +0,39 Autres : Ci = -(1,3 ob -0,8) = -0,34
a Construction ferm :
Soit une dpression : Ci = -0,6(1,3 oa - 0,8) = -0,3 Soit une pression : Ci = +0,6(1,8 1,3 oa) = +0,3
7 a Dpression intrieur :
b Construction ouverte :
b Pression intrieure :
b Pression intrieure :
9 2 Vent CD : 3 Vent BC :
B Construction ferme :
Langle
Parois verticales AB BC CD AD Ce
+ 0.8 0.2 + 1 0.5 + 0.3 0.8 0.34 + 0.39 0.79 0.34 + 0.8 1.14 + 0.8 0.5 + 1.3 0.34 0.34 0 0.34 + 0.8 1.14 0.5 0.5 0 + 0.8 0.34 + 1.14 0.34 + 0.8 1.14 0.5 0.5 0 0.34 0.34 0
EF
0.2 9 + 0.8 1.0 9 0.4 5 0.5 + 0.1 5 0.2 9 0.3 4 + 0.1 5
Versants FG GH
0.2 9 + 0.8 1.0 9 + 0.4 8 0.5 + 0.9 8 0.2 9 0.3 4 + 0.1 5 0.2 9 + 0.8 1.0 9 0.4 5 0.5 + 0.1 5 0.2 9 0.3 4 + 0.1 5
Parois verticales AB BC CD AD Ce
+ 0.8 + 0.39 0.2 + 0.61 + 1 0.5 + 0.3 0.3 0.8 0.2 0.34 + 0.39 0.2 0.73 0.2 + 0.8 + 0.3 0.3 + 0.5 + 1.1 0.34 + 0.39 0.2 0.73 0.2 0.5 + 0.3 0.3 0.8 0.2 0.34 + 0.39 0.2 0.73 0.2 0.5 + 0.3 0.3 0.8 0.2
EF
0.2 9 + 0.3 9 0.2 0.6 8 0.2 0.4 5 + 0.3 0.3 0.7 5 0.1 5
Versants FG GH
0.2 9 + 0.3 9 0.2 0.6 8 0.2 + 0.4 8 + 0.3 0.3 + 0.1 8 + 0.7 8 0.2 9 + 0.3 9 0.2 0.6 8 0.2 0.4 5 + 0.3 0.3 0.7 5 0.1 5
HI
0.2 9 + 0.3 9 0.2 0.6 8 0.2 + 0.4 8 + 0.3 0.3 + 0.1 8 + 0.7 8
HI
0.2 9 + 0.8 1.0 9 + 0.4 8 0.5 + 0.9 8 0.2 9 0.3 4 + 0.1 5
= 0
= 0
Ci
Pr e
AB
Ci Cr Ce Ci Cr Ce
AB
Ci
de p
Cr
Pr e
=90
Cr
de p
BC
Ce
=90
Ci
Pr e
=180
CD
Ci Cr
BC
Ci
de p
Cr
Pr e
Cr
de p
11 Les actions retenir pour le calcul : Construction ouverte : Parois verticales AB BC, AD CD +1 0 +1.14 -0.8 -1.14 -1.14 Versants EF, GH FG, HI +0.15 +0.98 -1.09 -1.09
Pression Dpression
Construction ferm : Parois verticales AB, CD BC, AD +1 +1.1 -0.8 -0.8 Versants EF, GH FG, HI -----+0.78 -0.75 -0.68
Pression Dpression
Pression dynamique du vent : P = qh x Ks x Km x x Cr q10 = 40 daN/m, Km = 1, Ks = 1.35 qh =2.5 [(h + 18) / (h + 60)] x q10 = 41.66 daN/m Coefficient : Panne (6 m) = 0.86. Poteau (9 m) = 0.84. Potelet (12 m) = 0.82. Lisse (6 m) = 0.86. Donc : Panne Vn1 = 41.6x1x1.35x0.86x0.98 = 47.33 daN/m. Vn2 = -52.64 daN/m. Poteau Vn = 53.77 daN/m. Potelet Vn = 52.29 daN/m. Lisse Vn = 53.12 daN/m.
12
A - Parois verticales :
Alors : Cex = 1 x 1.04 x [1 + (7 x 0.19)/(1 x 1.04)] = 2.46 qh = 92.25 daN/m Calcul de Cd : b = 26 m, h = 12 m, a = 36 m Vent long pend Cd = 0.91 VenT pignon Cd = 0.93
A calcul des coefficients de pression extrieur : I - vent perpendiculaire la grande face : d = 26 m, h = 12 m, b=36 m e = min (b, 2h) = 24
13 II - Vent perpendiculaire la petite face : A - Parois verticales: B - Toitures : La figure ci-dessous reprsente un demi de lhall.
14 B calcul des coefficients de pression intrieur : I - vent perpendiculaire la grande face : p = 27.3 / 27.3 = 1 Ci = -0.5 Zone D A B C E
II - Vent perpendiculaire la petite face : (Ouverture sous le vent) p = 27.3 / 27.3 = 1 Ci = -0.5 Zone D A B C E
15
Les pannes :
Les pannes sont les lments secondaires recevant directement la couverture. Leur espacement (et en consquence le panneautage des fermes treillis, dans une conception de bonne coordination) dpend du systme de couverture ; il peut atteindre 4 ou mme 5 m avec des bacs en acier. Cest par le choix dun systme de couverture et de bardage, ou de panneaux de faades, que commence le tramage en plan dun btiment. Le vent :
Wn = 52.64 daN/m We = 1.75 Wn = 82.82 daN/m La neige : Sn = 55 Se = 5/3 x 55 = 91.66 daN/m On a : = 25 L = 7.15 m Les charges permanentes : Couverture 10 daN/m Panne (estimation) 12 daN/m.l On prend 7 pannes par versant alors lentre axe est : 7.15 / 6 = 1.19 m Donc : Charge permanente G = 10 x 1.19 + 12 = 23.9 dan/m.l Surcharge dentretient p : P x L/3 = P x L /8 P = 44.4 daN/m.l
16 Surcharge climatique : Vent : Wn = 52.64 x 1.19 = 62.6 daN/m.l We = 1.75 x Wn = 109.6 daN/m.l Neige : Sn = 55 x cos 25 x 1.19= 59.26 daN/m.l Se = 5/3 Sn = 98.77 daN/m.l Les combinaisons daction : 4/3 G + 3/2 Sn = 120.75 daN/m.l G + Se = 122.67 daN/m.l G We = -85.7 daN/m.l Alors la combinaison la plus dfavorable est la 2me : Qmax = G + Se = 122.67 daN/m.l Qy = 1.25. Q. Cos25 = 139 daN/m.l Mx = Qy. Lx / 8 = 625.3 daN.m Qx = 1.25. Q. Sin25 = 64.8 daN/m.l My = Qx .Ly / 8 = 73 daN.m Dimensionnement des pannes : = Mx/wx + My/wy e Wx > (Mx/ wx) x [1 + (wx/wy) x (My/Mx)] Wx > (Mx/ e) (1 + My/Mx) avec = 7. Wx > 47.31 cm3 Donc on prend IPE120 : Wx = 52.96, Ix = 317.8, S =13.21, Iy = 27.67, Wy = 8.65. Vrification de la rsistance : = Mx/wx + My/wy e = 16.18 << 24 daN/m Vrification de la flche : Q = G + Sn = 83.16 daN/m.l Qy = Q cos25 = 75.36 daN/m.l Qx = Q sin25 = 35.14 daN/m.l Il faut que Fx Fad, Fad = Lx / 200 = 3 cm et Fy Fad, Fad = Ly/200 = 1.5 cm Fx = 5/384.[Qy.Lx4 /E.Ix] = 1.90 cm < 3 cm OK Fy = 2.05/384.[Qx.Ly4 /E.Iy] = 0.26 <<< 1.5 cm OK Vrification au cisaillement : 1.54 e, = max (x, y) x = Tx/Aame, Tx = Qy. Lx/2 = 226.08 daN, Aame = 4.72 cm x = 47.90 daN/cm y = Ty /2Aaile, Ty = 0.625.Qx. Ly = 65.88 daN, 2Aaile = 8.06 cm y = 8.17 daN/cm Alors = x = 47.90 daN/cm 1.54 = 73.76 daN/cm e. OK. Vrification de diversement : (par la mthode simplifie) = Kd. fx e = (1/1000.c) [(L+).h/b.e] (e/24) = 0.8.ya..C.b/e = 0.8x6x1x1.132x6.4/0.63 = 55.2 cm = 0.94 Kd = 2. = 1.89 = Kd. Mx/Wx = 2231 daN/cm < e OK Alors notre IPE120 convient pour les pannes.
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Dimensionnement de l'chantignolle:
L'excentrement "t" est limit par la condition suivante: 2(b/2) t3 (b/2) Pour notre IPE120 : b = 6.4 cm, h = 12 cm 6.4 < t < 9.6 cm t = 8 cm Qx = We = 109.6 daN/m.l Ry = 2 x (Qx. Lx)/2 = 657.6 daN Le moment du renversement : Mr = R x t = 5260.8 daN.cm
18 Dimensionnement : = Mr / Wech < e Calcul de lpaisseur le lchantignolle : Wech > Mr / e = 2.19 cm3 On a : Wech = a x e / 6 e = 0.93 cm e = 12 mm Dimensionnement : Notre lisse travail la flexion dvie : Wx > Mx/e [1 + My/Mx] = 7 Mx = Mw = Wn x L/8 = 358.56 daN.m My = MG = G x L /8 = 135 daN.m Sous la combinaison 4/3 MG + 3/2 Mwn : 4/3 MG = 180 daN.m 3/2 Mwn = 537.84 daN.m Wx = Mx/e [1 + My/Mx] = 74.91 cm3 Donc on prend un IPE140 avec les caractristiques : Wx = 77.32, Ix = 541.2, A = 16.43, Iy = 44.92, Wy= 12.31, P=12.9. Vrification de la rsistance : Les sollicitations sont pondres : = Mx/wx + My/wy e Sous la combinaison 4/3 MG + 3/2 Mwn : 4/3 MG = 180 daN.m 3/2 Mwn = 537.84 daN.m Donc : = 2157.82 daN/cm < e Vrification de la flche : Pas de pondration : G = 30 daN/m.l, Wn = 79.68 daN/m.l Fad = Lx / 200 = 3 cm Fx = 5/384.[Wn.Lx4 /E.Ix] = 1.18 cm < Fad Fy = 2.05/384.[G.Ly4 /E.Iy] = 2.2 cm < Fad Donc la flche est vrifie dans les deux plans. Notre IPE140 convient pour les lisses.
On a 6 lisses de bardages. Dtermination des charges : 1 charges permanentes : Bardage 12 daN/m Poids propre de la lisse (estim) 12 daN/m.l G = 12 x 1.5 + 12 = 30 dan/m.l 2 surcharges climatiques : Wn = 53.12 x 1.5 = 79.68 daN/m.l We = 1.75 Vn = 139.44 daN/m.l
19 N.B : nous navons pas besoin des suspentes (tirants) intermdiaire disposs mi-port de la lisse parce que la condition de la flche est vrifie. Vrification de diversement : Pas de risque de diversement parce que les ailles de notre lisse sont fixs dun cot avec les poteaux et dautre cot par le bardage. Vrification au cisaillement : Pas de vrification de cisaillement parce que les contraintes de cisaillement sont trs faible par rapport a e. Surcharges climatiques : Vent normal 52.29 daN/m Wn = 52.29 x 3.25 (entre axe) = 167 daN/m.l Dimensionnement : Ix > 1000/384 x Wn. I3 /E Ix = 3578.5 cm3 HEB 180 : A = 65.25, Ix = 3831, Wx = 425.7, Iy = 1363, Wy = 151.4, G = 51.2 daN/m.l, ix = 7.66, iy = 4.57. [cmx] Vrification des contraintes : 9/8 [K. + Kd. fx] < e Kd = 1 (pas de dversement a cause de la prsence du bardage) fx = Mx/Wx Mx = Wn. L /8 = 3006 daN.m fx = 706.13 daN/m = G/A Poids des lisses : 12.9 x 3.25 x 6 = 251.5 daN Poids du bardage : 12 x 12 x 3.25 = 468 daN Poids propre du potelet : 51.2 x 12 = 614.4 daN G = 1334 daN = 20.44 daN/cm Les lancements : x = Lx/ix = 156.6, y = Ly/iy = 32.8 max = x = 156.6 le plan de flambement est le plan de flexion. K = 3.980
Les charges permanentes : Bardage 12 daN/m Poids propre des lisses 13 daN/m
20 Sous la combinaison 4/3.G + 3/2.Wn : 9/8 [K. 4/3 + Kd. 3/2 fx ] = 1313.4 daN/cm < e Sous la combinaison G + We : 9/8 [K. +Kd. 1.75. fx ] = 1481.71 daN/cm < e Donc notre HEB180 convient pour les potelets.
Poteau au vent:
Wn2= 90(-0.79) x 0.82 x 6 = - 349,81 daN/ml Wn3=90(+0.15) 0.82 x 6= 66,42 daN/ml Calcul des sollicitations: Les moments maximaux sollicitant la traverse sont : Au faitage : + 14729 daN.m Aux appuis : - 17684 daN.m Donc les sections sont : Au faitage : Wx = 14729 / 24 = 613.7 cm3 IPE 330 Aux appuis : Wx = 17684 / 24 = 736.83 cm3 IPE 360
21 N.B : Nous nallons pas faire la vrification manuellement, mais avec SAP2000 : usuel de sections ayant un rayon de giration important suivant chacune des directions principales dinertie : profils H, profils creux, profils reconstitus souds en croix ou en caisson. Les poteaux des portiques sont sollicits : - A la flexion sous Mb, la compression sous N dans le plan des portiques. - A la compression simple sous N dans le plan du long pan. Donc il faut faire la vrification dans les deux plans. 1 - Calcul dans le plan du portique : Notre traverse est un IPE 360 lencastrement avec le poteau, on va prendre un HEB 360 et le vrifie. Voila, les Ratios sont nettement inferieur 1 . Dimensionnement des poteaux au flambement : Les lments de toiture reportent au sol les charges verticales (charges climatiques sur la toiture, quipements suspendus...) par lintermdiaire de poteaux, sollicits principalement en compression simple, mais ventuellement en flexion compose sous leffet de charges horizontales (vent, engins mobiles...). Ces poteaux doivent, dans tous les cas, prsenter une raideur transversale procurant la rsistance au flambement (article Composants dossatures. Composants tendus et comprims, moins dtre maintenus par des entretoisements horizontaux, par exemple en faades. Ces conditions expliquent le choix Daprs SAP2000 : Mmax = 17680 daN.m Nmax = 17087 daN IPE360 : It = 16270 cm4, Lt = 13 m HEB360 : Im=43190= cm4, Lm= 9 m Longueur de flambement du poteau : K = Im/Lm x Lt/It = 3.83 Lf = 2.Lm. (1 + 0.4.K) = 28.6 m Elancement : x = Lf/ix = 185 Contrainte de compression normale : = N / A = 17087 / 180.6 x 100 = 0.94 daN/mm Contrainte critique dEuler : k = x E / x = 6.04 daN/mm
22 Coefficient dloignement de letat critique : = k / = 6.43 Coefficient damplification de la contrainte de flexion : Kf = ( + 0.25) / ( 1.3) = 1.3 Contrainte de flexion : f = Mmax / Wx = 7.36 daN/mm Coefficient damplification de la contrainte de compression : K1 = (-1)/ (-1.3) = 1.05 Donc il faut vrifier que : K1. + Kf. f < e 1.05 x 0.94 + 1.3 x 7.36 = 10.55 daN/mm < e 2 - Calcul dans le plan du long pan : Il ny a aucun risque de flambement dans ce plan a cause des lisses de bardage qui liaisonnant les poteaux a mihauteur. Pour confirmer : Lf = h / 2 = 4.5 m Llancement : y = Lf / iy = 60 k = 1.19 Donc : K x = 1.11 daN/mm <<< e. Enfin notre poteau HEB360 est convenable.
23 Pour la surface du platine : On suppose b = 48 cm, a = 48 cm. = N/ab = 15170 / (48X48) = 6.58 daN/cm << .
Le jarret :
Cest un dispositif de renforcement du portique, situe entre le poteau et la traverse. Il nest pas conomique dutilise une traverse IPE360 du faitage jusqu' poteau, donc on met un IPE330 et on lassemble avec le jarret. 1 La longueur du jarret : La longueur du jarret se dtermine en considrant quau point F la contrainte maximale dans la traverse = e. Mf = e. Wx = 17112 daN.m Mb = - 17684 daN.m Mc = + 14729 daN.m
Epaisseur de la platine : t = U. (3x / e) = 5.44 cm t = 10 mm Diamtre des goujons : Effort de traction par goujon : V / 2 = 2670 daN Effort admissible par goujon : Na = 0.1 (1+ 7x350/1000) x (/ (1+ /250)) x (20 x + 19.2 + 7 ) > V/2 >14 = 16 cm
Lquation de la courbe des moments est de la forme : Y = a. x Pour x = 7.15 Y = Mc + Mb = 32413 daN.m a = Y / x = 32413/7.15 = 634,02 Pour x = 1.15 J Y = Mf = 17112 daN.m Alors : 17112 = 634,02 (7.15 J) J = 1.95 m 2 La section du jarret : Notre jarret est ralis par Oxycoupage en biseau dune poutrelle IPE360, ensuite soud les deux tanons.
N.B :
Daprs les annexes VI et VII : Les dimensions de la plaque dassise sont : 380x440, t= 25.
Rsume :
Voila les lments qui constituent notre structure :
Llment Panne Lierne Echantignole Lisse Potelet Traverse Poteau Jarret Platine Tige d'ancrage
Dimension IPE 120 = 8 mm t = 8 cm, e = 12 mm IPE 140 HEB 180 IPE 330 HEB 360 J = 1,95 m 48 x 48 cm = 16 cm