Structure

Disposition des palées de stabilité

Principe

Les dispositifs de contreventement contribuent à la stabilité générale d'une construction. Le système de contreventement de l'ossature agit contre les sollicitations horizontales et plus particulièrement les efforts dus au vent, assurant la stabilité latérale du bâtiment. Ces efforts s'appliquent en premier sur la « peau » du bâtiment : façades et toitures ; c'est donc d'abord dans les plans formés par ces parties d'ouvrage que se trouvent les dispositifs de stabilité.

Les éléments de stabilité verticaux sensibles à la torsion (croix, portiques, panneaux) doivent être disposés selon deux directions non parallèles et dans trois plans au moins. Dans la mesure du possible, on doit veiller à une disposition répartie et homogène, à chaque niveau, au moins trois contreventements autour du bâtiment. Ainsi, les efforts horizontaux agissant suivant les deux axes principaux du bâtiment peuvent être repris (directions x et y) par deux éléments ; le troisième crée avec l'un des deux premiers un couple résistant à la torsion.

Plan vertical
Mise en œuvre d'éléments d'une ou plusieurs barres métalliques, d'un panneau rigide, ... disposés dans un panneau rectangulaire composé de deux poteaux et de deux traverses horizontales.

Plan horizontal
Effet diaphragme joué par les éléments, horizontaux comme les planchers d'étages ou inclinés comme les toitures, participant ainsi à la stabilité du bâtiment.
Ils transmettent les efforts horizontaux aux ensembles verticaux de stabilité auxquels ils sont liés. Tout plan rigide, horizontal ou incliné, peut constituer un diaphragme : dalle pleine, plancher collaborant ou une triangulation.
C'est une étape importante de la conception. Une disposition mauvaise ou insuffisante en matière de contreventement entraîne de graves désordres dans le bâtiment.
Les bâtiments à ossature métallique peuvent être raidis par les systèmes suivants :
• Travées triangulées
• Portiques
• Noyaux
• Panneaux massifs de contreventement
• Construction de type tubulaire (immeubles de grande hauteur)

Pour l'application en bâtiments courants d'habitation, le référentiel PRISM2 développe ici essentiellement les trois premiers procédés.

Palées triangulées

Économique et simple, c'est le dispositif le plus fréquemment employé pour des bâtiments de hauteur faible à moyenne.
Pour s'opposer à la déformation, cette solution utilise une ou plusieurs barres métalliques formant une triangulation dans une partie de l'ossature dans le plan vertical. Les barres ne sont alors soumises qu'à des efforts normaux (tractions ou compressions) et forment des palées de stabilité.
Ces palées peuvent transmettre les efforts horizontaux sur un ou plusieurs étages.

En présence d'une seule barre, la diagonale simple est appelée écharpe. Elle est soumise alternativement à des efforts de traction et de compression en fonction de la direction du vent.
Dimensionnée pour le flambement, la barre peut être réalisée à l'aide d'un profil creux, d'une section en caisson ou en croix.
Toutefois, il est préférable d'éviter les longueurs excessives pour les barres soumises à des sollicitations en compression.

Diagonale tendue

Diagonale comprimée

Pour réduire les dimensions géométriques des éléments et répondre au cas d'inversion de la direction du vent, il est alors nécessaire de placer une seconde barre en diagonale opposée formant ainsi deux palées contrariées. Selon le sens du vent, une seule d'entre elles, tendue, s'oppose à la déformation. Elle peut être réalisée à partir d'une barre de section quelconque : cornière, plat, rond plein, câble, ... Le critère déterminant pour le choix de la section devient la simplicité de l'assemblage.
Placées dans le même panneau, ces palées à deux diagonales sont donc rigides dans les deux directions ; elles sont dites en croix de Saint-André.
Pour une file de poteaux donnée, la croix peut être disposée à une extrémité ou vers le milieu. Pour ce dernier cas, le comportement de la structure aux phénomènes de dilatation sera plus performant car les longueurs de part et d'autre de la palée étant réduites, la résistance sera moindre.
Plusieurs croix de St-André peuvent se trouver dans une même file de poteaux. La sollicitation horizontale est alors répartie entre elles en proportion de leur raideur.
En outre, les barres peuvent présenter une rigidité non négligeable en compression dont on peut tenir compte dans les calculs.
Les liaisons des différents éléments sont ici généralement réalisées par des assemblages articulés.

Au niveau des nœuds, les axes des barres sont en principe concourants. L'excentrement des barres par rapport aux nœuds est possible pour des constructions parasismiques ou pour améliorer la procédure de montage.

Disposition
• Dans les parois aveugles du bâtiment de préférence.
Les circulations verticales, les cloisons de couloir ou séparatives et les parties de façades aveugles sont des zones d'implantation favorables permettant une bonne distribution des palées.

• Réduire les sollicitations dans les barres :
Trames larges
Trames étroites
Toutefois lorsque la palée est étroite, la raideur peut être améliorée par l'addition de diagonales supplémentaires dans des panneaux de part et d'autre.

• Superposer les palées verticales :
S'il est nécessaire de les décaler, il faut que chacune soit fondée à ses extrémités reliant un poteau à un autre. La transmission des charges entre deux niveaux s'effectue par l'intermédiaire des planchers. Cette solution permet de répartir la descente des charges sur un plus grand nombre de poteaux. En contrepartie, ces décalages peuvent entraîner un surcoût.

Variantes de triangulation :
Pour le passage des baies ou des gaines, il est possible d'aménager les dispositifs de contreventement verticaux à condition de trouver au moins une barre comprimée.
Les autres formes de triangulation qui permettent de rigidifier un panneau sont présentées plus haut.

Disposition dans les cloisons

Disposition autour
d'une circulation verticale

Portiques à nœuds rigides

D'un point de vue statique, un portique est un cadre rigide. Pour réaliser ce cadre, les assemblages entre poteaux et poutres sont rigidifiés pour constituer des encastrements. L'angle issu des lignes moyennes du poteau et de la traverse demeurant indéformable, c'est la rigidité des barres qui assure la résistance du portique. Le nœud rigide ainsi constitué transmet, en plus des efforts normaux, des moments de flexion dits d'encastrement.
Plus complexe, le calcul des efforts est établi suivant les règles de la résistance des matériaux.
La réalisation des attaches est plus élaborée et le coût de la construction est plus élevé.

Noyaux

L'ossature métallique peut être stabilisée par des tubes verticaux réalisés en béton. Ces cages servent à abriter les circulations verticales (escalier, ascenseur, canalisations), le matériau leur apportant la protection au feu requise. Ce double usage occupe un espace restreint.
Les poutres et les dalles de plancher doivent être rendues solidaires du noyau. Les attaches doivent tenir compte des différences de tolérance entre les deux matériaux afin de permettre la reprise des charges dès la mise en service.

Exemple de liaisons de portiques

Autres dispositifs

Panneaux rigides
Les panneaux pleins de contreventement forment des diaphragmes qui doivent être solidarisés avec l'ossature en acier. Ils sont plus rigides que d'autres systèmes de stabilisation caractéristique de la construction métallique et reprennent, de ce fait, la plus grande partie des charges appliquées.
Ces panneaux sont soit préfabriqués : parois en béton, plaques d'acier raidies, soit réalisés sur chantier : murs maçonnés.
• Murs en maçonnerie : la maçonnerie doit être solidarisée avec l'ossature. Cette solution ne peut convenir que pour des constructions de faible hauteur.
• Parois en béton : ces murs se trouvent le plus souvent autour des noyaux de distribution verticale. Ils peuvent aussi assurer une fonction coupe-feu, indépendante de la structure.
• Plaques d'acier : c'est une solution efficace qui nécessite toutefois l'emploi de raidisseurs pour prévenir les déformations de la tôle. Il faut aussi veiller au bon comportement au feu de ces éléments.
La procédure de mise en œuvre peut varier selon le type de produit utilisé :
- murs autoporteurs érigés avant l'ossature,
- montage en même temps que l'ossature,
- encastrement ultérieur dans l'ossature.

Contreventement horizontal
Le contreventement horizontal transmet les efforts dus au vent vers les palées verticales.
Cette transmission est assurée par le plancher à condition qu'il soit rigide et continu ou par des croix de St-André, notamment en couvertures.
En toiture, les couvertures rigides en acier nervuré peuvent assurer la fonction de contreventement sans l'apport de triangulations
supplémentaires.

L'autostabilité
Par définition une structure autostable est autocontreventée. Elle ne nécessite pas de palée supplémentaire. Trois procédés permettent d'obtenir une autostabilité :
• l'encastrement à la base des éléments porteurs verticaux ou au sein de la structure,
• l'association d'éléments linéaires ou bidirectionnels articulés,
• l'emploi d'une structure dite spatiale dont le caractère tridimensionnel ne donne pas lieu à une descente de charge plane.