● 1.6. Règles de calcul

A ce jour, les règles de calcul applicables sont toujours, pour les marchés privés, principalement le DTU P22-701 (règles CM66 et leur additif de 1980) et, pour les marchés publics, le fascicule n°61 - Titre V (conception et calcul des ponts et constructions métalliques en acier) du CCTG.
Les règles CM66 codifient les méthodes de calcul applicables à l'étude des projets de construction en acier. Leur application aux différents éléments des bâtiments conduit à un degré de sécurité sensiblement homogène pour les différentes sollicitations et les divers types de constructions.
Depuis leur parution (1966), d'importants progrès ont été réalisés dans la connaissance du comportement élasto-plastique des matériaux et des structures. Ces progrès ont permis de mettre au point un certain nombre de prescriptions complémentaires à celles des règles CM66, réunies dans l'additif de 1980. Ces règles ne s'appliquent pas aux éléments minces en acier pour lesquels on utilise le DTU P22-703.

Définitions

Actions et sollicitations
Les sollicitations sont les efforts internes dans les éléments de l'ossature provoqués par les actions déterminées, pour une section donnée. Elles s'évaluent par une méthode appropriée d'analyse des structures.
Les actions sont les forces et couples qui s'appliquent sur la construction et sont définies à la partie 1.4 du présent document.
Par principe, les valeurs des actions introduites dans les calculs de vérification de la résistance de l'ossature sont les plus défavorables.
Ces valeurs sont fixées par les documents constituant le marché, soit directement lorsqu'elles dépendent de l'utilisation même de la construction, soit par référence à des normes ou règlements.

État limite ultime et état limite de service
Pour justifier la sécurité et l'aptitude au service des constructions, on emploie une méthode dite d'états limites. Son principe est de montrer que les combinaisons d'actions et les sollicitations de calcul à envisager n'entraînent pas dans la construction ou l'un de ses éléments, un des phénomènes que l'on souhaite éviter.
Un état limite ultime (ELU) est atteint lorsque l'un des phénomènes suivants se produit : perte d'équilibre de la structure, formation pour tout ou partie de la structure d'un mécanisme de ruine, instabilité de forme, rupture d'un élément, déformations plastiques excessives.
Un état limite de service (ELS) est atteint lorsque la structure devient inapte aux fonctions normales pour lesquelles elle est conçue, en particulier dans les cas de déformations excessives entraînant une interruption du service normal de la structure ou des désordres inacceptables d'éléments non structuraux.

Coefficient de pondération
Pour établir une vérification aux états limites, on multiplie les valeurs caractéristiques ou nominales des actions par des facteurs appelés coefficient de pondération, dont les valeurs sont toujours supérieures ou égales à 1. Elles dépendent de l'état limite considéré (service ou ultime), du type d'action envisagée (permanente ou variable), et de la combinaison d'actions étudiées (intervention simultanée d'actions variables). Ces coefficients tiennent compte de la possibilité que les actions atteignent des valeurs plus défavorables que les valeurs caractéristiques, de la probabilité réduite d'intervention simultanée d'actions atteignant leur valeur caractéristique, et enfin des modifications défavorables des sollicitations dues à des hypothèses de calcul imprécises, des imperfections dans la réalisation ou des incertitudes sur la résistance des éléments.

Pour les ELU, les coefficients sont 1,35 et 1,5 pour pouvoir diminuer la probabilité de ruine à un niveau très faible.

Vérification de la sécurité de la structure
Les calculs de structure une fois établis selon les charges définies, doivent faire l'objet d'un certain nombre de vérifications.

Vérifications relatives aux contraintes
Les vérifications relatives aux contraintes tout d'abord portent sur deux points principaux.
- La stabilité d'ensemble, assurée sous l'effet des combinaisons d'actions pondérées les plus défavorables.
- La stabilité de chaque élément : les valeurs maximales des efforts normaux et des moments pondérés restent inférieures à celles qui entraîneraient théoriquement la ruine de l'élément.

Vérifications relatives aux déformations
Les déformations des éléments de l'ossature doivent être suffisamment faibles pour que :
- l'exploitation de l'ouvrage ne s'en trouve entravée à aucun point de vue ;
- les éléments supportés (remplissage, revêtement) ne soient pas endommagés de façon inadmissible du fait de ces déformations, qu'elles soient horizontales ou verticales ;
- la répartition des efforts dans les éléments de l'ouvrage ne soit pas altérée par les déformations ;
- les efforts dits secondaires restent négligeables.

Concernant ces deux derniers points, on admet éventuellement des constructions n'y satisfaisant pas sous réserve que leur stabilité à l'état déformé soit prouvée.
Les déformations dues à l'effort normal sont généralement négligeables devant les déformations de flexion pour les éléments soumis à ces deux sollicitations. Les déformations dues au moment fléchissant sont prépondérantes. Le maximum de la déformation est observé le plus souvent au milieu de la poutre, quelle que soit la répartition des charges appliquées.
Les règles donnent les valeurs des flèches à ne pas dépasser dans les éléments d'ouvrages les plus courants pour permettre une exploitation normale et éviter les désordres dans les éléments secondaires de la construction. Les déformations d'éléments supportant des murs ou des cloisons doivent être suffisamment faibles pour que les remplissages ou les revêtements supportés puissent les subir sans dommage.
Les CM66 ne fixent pas de limites aux déplacements horizontaux en raison de l'extrême diversité des cas. Toutefois, une vérification sommaire peut être nécessaire dans des cas risquant d'entraîner un faux aplomb significatif des poteaux.

Différences entre règles CM66 et Eurocode 3

Principes et concepts de sécurité
La France ne verra pas ses habitudes de vérification de la sécurité des constructions métalliques bouleversées : l'Eurocode 3 peut s'apparenter à un règlement dit par « pondération des charges aux états limites ». Les règles européennes apporteront plus de rigueur et de cohérence et surtout une approche « semi-probabiliste » identique à tous les matériaux. L'harmonisation des codes de charge ne réduira pas le nombre de combinaisons d'actions à prendre en compte dans les vérifications de la sécurité des structures.

Méthode d'analyse
Les méthodes de calcul permettant de déterminer les sollicitations et déplacements à partir de la définition des actions extérieures appliquées sur la structure sont plus étendues que celle des règlements français.
Les règles CM66 et le titre V du fascicule 61 du CCTG ne traitent que de méthodes de calcul élastique, en majorité du premier ordre. L'additif de 1980 aborde les calculs en plasticité.
Dans l'Eurocode 3, le champ d'application des méthodes d'analyse, étendu aux domaines élastique et élasto-plastique au premier ou au deuxième ordre, permettra une meilleure appréhension du comportement des structures et donc un dimensionnement optimisé à la fois en sécurité et en coût.
En conséquence, le recours aux équipements informatiques compensera la complexité du processus de calcul et de vérifications menant à l'élaboration de la note de calculs.

Conception et dimensionnement des assemblages
Bénéficiant du progrès des connaissances, c'est le domaine qui connaîtra le plus grand bouleversement.
L'Eurocode 3 propose une approche qui permettra de traiter un assemblage comme un ensemble de « composantes » mises en parallèles ou en série, améliorant sa caractérisation en termes de rigidité et de résistance. Le domaine d'application s'étend alors aux assemblages à comportement «semi-rigide» et pourra conduire à des conceptions de détail plus simples et plus économiques.
Une analyse de comportement des structures plus élaborée et une vérification de la sécurité plus minutieuse devraient constituer la contrepartie d'une telle évolution.
L'influence de cette approche portera donc autant sur la conception des structures que sur l'économie de réalisation des assemblages.

Choix des matériaux et règles de fatigue
Peu prise en compte dans la réglementation française, la notion de fatigue était rarement considérée dans le domaine de la construction des bâtiments. Au titre de code de règles générales, l'Eurocode apporte ici des données assez complètes et précises. A cela s'ajoute des règles portant sur le choix des nuances et les qualités d'acier, avec le traitement des risques de rupture fragile. Cet ensemble devrait favoriser une meilleure adaptation aux conditions de réalisation et d'utilisation des ouvrages.

Incidences économiques
L'impact économique est difficile à évaluer sur la réalisation de structures métalliques.
Son incidence devrait être faible sur le poids des structures usuelles. Certains aspects particuliers, notamment les assemblages, devraient conduire à une simplification de la conception des structures et à un meilleur compromis coût/sécurité.

Prédimacier : outil de prédimensionnement PRISM2

1 Principes généraux de conception
1.2 Fonction essentielle et composition de la structure
1.3 Rappel des types de sollicitations
1.4 Articulation ou encastrement et choix d'un système porteur
1.5 Actions et charges
1.6 Règles de calcul
• Définitions
• Vérifications de sécurité
• Différences entre règles et Eurocode 3
• Outil de prédimensionnement

2 Ossature poteaux-poutres
3 Schéma unifilaire

La Ferronière (Reims)
71 logements

Phase structure principale :
poteaux, poutres et planchers

Phase ossature secondaire :
montants et précadres

Façade achevée

Fonctionnant sous Excel, cet outil développé pour le référentiel PRISM2 permet d'établir très facilement le prédimensionnement d'un élément de structure simple réalisé avec un profilé de type HEA, HEB ou IPE.

8 données d'entrée seulement pour obtenir une estimation avec 6 profiles possibles.

→ outil de prédimensionnement

1 Principes généraux de conception
1.2 Fonction essentielle et composition de la structure
1.3 Rappel des types de sollicitations
1.4 Articulation ou encastrement et choix d'un système porteur
1.5 Actions et charges
1.6 Règles de calcul
• Définitions
• Vérifications de sécurité
• Différences entre règles et Eurocode 3
• Outil de prédimensionnement

2 Ossature poteaux-poutres
3 Schéma unifilaire