1. Généralités

Jetant un regard sur l'histoire de l'architecture, on peut affirmer à juste titre que l'acier l'a révolutionnée. Aucun autre matériau de construction n'a exercé une influence aussi radicale sur la forme des ouvrages et n'a conféré aux structures porteuses une expression plus pure. Aujourd'hui, la construction métallique signifie high-tech, économie de matière, construction intelligente et forme élégante.

En construction métallique, la distribution des efforts est à la base de la conception. Aussi, l'art de construire en acier se manifeste principalement dans la construction de ponts, de halles et de toitures aux portées imbattables ou aux formes complexes.

La construction en acier permet une mise en oeuvre rapide et efficace, une durée de vie importante et une démolition dans le respect de l'environnement. Considérant sa durée de vie totale, un ouvrage en acier supporte la comparaison avec les autres modes de construction.

2. Avantages de la construction en acier

La construction métallique offre d'importants avantages pour la conception, la réalisation et l'utilisation:

Grande liberté grâce aux structures filigranes et légères

Qualité constante du matériau et détails de construction standardisés

Utilisation optimale de l'espace grâce aux grandes portées et aux sections réduites des éléments

Structures porteuses aérées et tolérances réduites facilitant la mise en place des installations techniques et des éléments du second-oeuvre

Facilité d'adaptation aux changements d'affectation grâce à des assemblages démontables et à l'intégration de nouveaux éléments et installations

Grand choix de couleurs grâce aux revêtements protecteurs contre la corrosion et l'incendie

Economies importantes grâce au poids réduit de la structure et à des fondations minimales

Chantier sec, ne nécessitant qu'un espace réduit

Montage rapide, indépendant des conditions atmosphériques

Ecologie exemplaire (possibilité de démontage, recyclage)

Le comportement à la corrosion de l'acier est favorable par le fait qu'il rouille lentement et bien visiblement sur la surface: divers traitements confirmés de protection contre la corrosion sont à disposition.

Comportement élastique avec une résistance et une rigidité élevées. Ainsi, l'acier supporte des contraintes très élevées à la traction comme à la compression, jusqu'à sa limite d'élasticité.

Des grandes portées avec peu de poteaux intermédiaires permettent une division flexible de l'espace.

3. Structure du système porteur

Le système porteur d'une construction métallique est l'ossature. Celle-ci a uniquement une fonction porteuse, pas celle de séparation d'espaces. Cependant, elle permet la fixation d'éléments qui, eux, ont cette fonction de séparation. En général, l'ossature est composée de poutres horizontales et de poteaux verticaux.

Le choix d'une trame déterminera la distance entre poteaux et poutres et les portées. Des portées entre 6 et 18 m sont économiques, allant dans des cas spéciaux jusqu'à 30 m. Dans les bâtiments à étages multiples, les poteaux sont situés normalement aux noeuds de la trame. Une trame rectangulaire répond au mieux aux exigences d'une ossature en acier et permet la réalisation de constructions plus économiques qu'une trame aux champs carrés. Les trames à angles obliques sont également possibles.

Stabilisation des structures porteuses

Les différents éléments (poutres, poteaux) doivent être assemblés pour former une structure spatiale devant assurer la transmission des forces horizontales aux fondations et ainsi prêter au bâtiment sécurité, rigidité et stabilité. Ces derniers sont formés de structures en treillis, de murs de refend ou de cadres rigides. Pour garantir la stabilité de l'édifice, s'y ajouteront, selon les besoins, des éléments stabilisateurs comme des diagonales, des cadres rigides ou des panneaux.

Choix des éléments de contreventement

Le genre de contreventement et leur disposition exercent une grande influence sur l'utilisation de l'espace et l'organisation des façades et, de ce fait, ils doivent être déterminés dès le début des études. Il est souvent avantageux de placer les éléments stabilisateurs dans les parois extérieures du bâtiment ce qui laisse toute liberté dans l'utilisation des surfaces.

Quelques critères parlent particulièrement en faveur de:

Contreventement à treillis

Dans le cas de treillis verticaux légers et à grande portée

Si les ascenseurs et les escaliers ont une structure ouverte ou sont prévus à l'extérieur de l'immeuble

Si le contreventement par les éléments en béton disponibles est insuffisant

Murs et noyaux en béton

S'ils sont suffisants à eux seuls

S'il n'y a pas de place suffisante pour des treillis dans l'ossature

Contreventement par des cadres rigides

Si on attribue de l'importance à une transparence maximale

En l'absence de murs porteurs

Dans le cas d'édifices de dimensions modestes, à un seul niveau

Comportement des contreventements à treillis

Statiquement, les contreventements verticaux sont des poutres fléchies, plus précisément des treillis en porte-à-faux encastrés dans le sol (a). Les contreventements étroits conduisent à d'importantes forces dans les barres. Les barres subissent des variations de longueur, engendrant des déformations (b). Les contreventements larges sont plus rigides et plus légers grâce à des efforts dans les barres moins importants (c). Une relation raisonnable entre hauteur et largeur du contreventement (1:5 à 1:7 au max.) permet des assemblages simples des barres tout en gardant une rigidité suffisante. La rigidité d'un contreventement étroit peut être nettement améliorée en introduisant une poutre à treillis horizontale disposée entre les poteaux de façade et agissant en forme de cadre rigide (d).

Contreventements verticaux

e) Losanges (longueur de flambage réduite)

f) Croix (barres tendues élancées)

g) Treillis en K

h) Cadres à treillis (chers)

i) Cadres rigides (chers)

Pour les barres de treillis, tous les profilés qu'on peut employer pour les treillis boulonnés conviennent: tubes, cornières simples, doubles ou croisées, profilés à section en T, etc.

Pour des treillis à tirants croisés, on peut également utiliser des fers plats ou ronds, voire éventuellement des câbles; ces éléments ne reprennent que des forces de traction.

Protection incendie

En raison de la conductivité thermique élevée de l'acier et bien que l'acier ne soit pas combustible, il perd de sa résistance à température élevée, d'où la grande importance de sa protection contre l'incendie.

La protection incendie des structures en acier est aujourd'hui beaucoup plus simple qu'il y a quelques années. Les nouvelles prescriptions ouvrent la voie à des solutions où la présence de sprinklers est prise en compte.

Extrait d'un article sur le thème «Charpente métallique» de la Documentation suisse du bâtiment.