Pont Roulants
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CT 57(ANNÉE SCOLAIRE 2001/2002)
Charpente Métallique
JM CHATEL
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Charpente métallique
1 - Le matériau acier
2 - Les instabilités élastiques
3 - L ’ossature d ’un bâtiment métallique
4 - Le contreventement
5 - Les assemblages
6 - Les règles neige et vent
7 - Les ponts roulants
8 - L ’incendie et la construction métallique
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.0 - Définition
Composition de l ’acier ?
Résulte de la transformation de matières tirées du sol
Principalement :
Accessoirement :- manganèse
- chrome
- nickel, etc ...
- minerai de fer
- carbone+
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.1 - Historique (1/2)
Le fer est un matériau connu depuis très longtemps (1700 avant JC)
Jusqu ’en 1750, le matériau utilisé comprend un pourcentage de carbone très important
Fonte (matériau fragile)
A partir de 1750 le matériau est affiné
Fer doux (matériau plus souple)
1856 - Procédé BESSEMER Acier (souple et résistant)
1864 - Procédé MARTIN
1876 - Procédé THOMASIndustrialisation (prix plus
abordables)
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.1 - Historique (2/2)
1779 - Premier pont métallique en Angleterre (31 m de portée , fonte coulée)
1851 - CRYSTAL PALACE à LONDRES (70 000 m², 33m de haut)
1855 - Halles BALTARD à PARIS
1881 - Découverte de la soudure à l ’arc
1889 - Construction de la tour EIFFEL (300 m)
1892 - Effondrement d ’un pont métallique par flambement
1931 - Empire State Building (380 m)
Etc...
1884 - Viaduc de GARABIT
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.2 - Élaboration de l ’acier (1/2)
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.2 - Élaboration de l ’acier (2/2)
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.3 - Classification de l ’acier
MATERIAUX % DE CARBONE UTILISATION
- aciers doux
- aciers mi-durs
- aciers durs
- aciers extra-durs
0,05% < C < 0,3%
0,30% < C < 0,6%
0,60% < C < 0,75%
0,75% < C < 1,2%
charpente, boulons
rails, pièces forgées
outils
outils, poinçons
- fontes 1,7% < C < 6,3%
pièces coulées,
culasses moteurs,
bâtis machines.
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.4 - Les caractéristiques de l ’acier (1/4)
Masse volumique : 7850 kg/m3 (béton armé 2500 kG/m3)
Dilatation thermique :
Allongement relatif = . T avec = 12.10-6 /°C
Dispositions constructives pour contrer ce phénomène (ou calculs)
Exemples : Joints, trous oblongs, etc …
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.4 - Les caractéristiques de l ’acier (2/4)
Limite d ’élasticité :
en o\OO
en MPA
O
A BC
De
Norme nationale Eurocode 3 Limite d’élasticité(MPa)
Limite de rupture(MPa)
A 33 S 185 185 310E 24 S 235 235 360E 28 S 275 275 430E 36 S355 355 510
Nuances
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.4 - Les caractéristiques de l ’acier (3/4)
L ’essai de résiliencePermet de caractériser l ’aspect plus ou moins fragile du matériau (sous l ’effet d ’un choc)
h1h2
E = mg(h1-h2)
Plus h2 est faible plus l ’éprouvette a absorbée d ’énergie
plus le matériau est ductile
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.4 - Les caractéristiques de l ’acier (4/4)
C
BA
OC
O
A B
L ’énergie absorbée est proportionnelle à l ’aire OABC
°CFRAGILE
DUCTILEE
L ’énergie absorbée varie en fonction de la température
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.5 - Avantages et inconvénients de l ’acier
ACIER BÉTON
e(compression) de calcul 240 MPa 15 Ma
e(traction) de calcul 240 MPa 0 MPa
Comparatif en poids : N
N
h
Pour reprendre cet effort N, il faut mettre en œuvre en poids une quantité de béton 4,8 fois plus lourde qu ’en acier.
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.5 - Avantages et inconvénients de l ’acier
ACIER BÉTON
Fluage Rare Important (flèches différées)
Adaptation plastique Importante Très faible
Tenue au feu Mauvaise sans
protections complémentaires
Bonne
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.6 - Adaptation plastique de l ’acier (1/3)
Diagramme des contraintes en se limitant au domaine
élastique
Mu
b
h
Tant que Mu < Me (moment élastique) les fibres travaillent toutes dans le domaine élastique de l ’acier
Me=e . b . h²
6
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.6 - Adaptation plastique de l ’acier (2/3)
Mu
b
h
Toutes les fibres plastifiées
+ Mu’
e e e
+ Mu’’
Apparition d ’une rotule plastique
Pour qu ’il y ait équilibre de la section, le moment ultime total Mu doit être inférieure au moment plastique MP
MP= Wpl . e
Wpl : module d ’inertie plastique de la section par rapport à l ’axe ….
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.6 - Adaptation plastique de l ’acier (3/3)
Exemple de dimensionnement :
L = 8,00 m L = 8,00 m
pu = 50 kN/m
En admettant que dans ce cas, le comportement plastique du matériau soit accepté par la réglementation, proposer un profilé permettant de supporter cette charge.
Question :
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.7 - Les produits sidérurgiques
Les poutrelles normales européennes IPN
Les poutrelles I européennes IPE
Les poutrelles H européennes à larges ailes ou à trèslarges ailes
HE HL(HEA, HEB, HEC, HEM, HEA-A, HL)
Les poutrelles-poteaux à larges ailes HD
Les poutrelles-pieux à larges ailes HP
Les fers U normaux européens UPN
Les fers U à ailes parallèles UAP
Les cornières, les plats, les plaques, tôles et plaques enrelief, ...
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1 - LE MATÉRIAU ACIER1.8 - Réglementation et règles de calcul
Charges permanentes NF P 06 004
Charges d'exploitation NF P 06 001
Charges neige règles NV 65 et N 84
Charge vent règles NV 65
Charges ponts roulants recommandation CTICM
Actions des séismes règles parasismiques PS 92 (NFP 06013)recommandations AFPS 90 (3 tomes )
Les actions sur les constructions :
Les règles de calcul :
Règles nationales Règles européennes
Règles CM 66 calcul en élasticité (critère decontrainte)
Additif 80 calcul en plasticité
Eurocode 3 applicable à partir de 1996
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2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES2.1 - Le flambement (1/4)
F
ETAT NON DEFORME
Dans un premier temps nous n ’avons pas pris en compte les déplacements de la structure dans le calcul des sollicitations (M,N et V)
FN
ETAT NON DEFORME
Fv1
ETAT DEFORME AVEC F SEUL
Le déplacement v1 n ’a pas d ’influence sur la valeur maximum du moment fléchissant
F Nv2
ETAT DEFORME AVEC F ET N
Le déplacement v2 a une influence certaine sur la valeur maximum du moment fléchissant
! Augmentation du risque de flambement
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2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES2.1 - Le flambement (2/4)
Vérification au flambement Limitation de l ’effort N < Nk
avec Nk =
² . E . A(maxi)²
² . E . Imini
(Lf)²=
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2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES2.1 - Le flambement (3/4)
Lf > Lo
Diminution de la longueur de flambement :
Lo
Vent important
Vent
Lf << Lo
faible
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2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES2.1 - Le flambement (4/4)
Systèmes articulés :
Compression
Montant limitant la longueur sur laquelle peu flamber la membrure supérieure
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2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES2.2 - Le déversement d ’une poutre (1/3)
Ce phénomène s ’observe sur des éléments fléchis par rapport à leur axe de plus grande inertie
Considérons une poutre sur deux appuis soumis à un chargement ponctuel à mi-travée :
COMPRIMEE
TENDUEFIBRE TENDUE
FIBRE COMPRIMEE L ’aile supérieure comprimée risque de flamber
Déversement du profilé
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2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES2.2 - Le déversement d ’une poutre (2/3)
Cas particulier : Déversement d ’une console
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2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES2.2 - Le déversement d ’une poutre (3/3)
Dispositions constructives :
Semelles noyées dans la dalle béton
Semelles liées aux éléments qu ’elles supportent
Mise en place d ’entretoise dans le cas où la semelle inférieure est comprimée
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2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES2.3 - Le voilement des plaques (1/2)
Le voilement est une instabilité élastique pouvant affecté les plaques (âme des profilés en I par exemple)
Voilement de l ’âme sous l ’action de la charge localisée
Voilement sous l ’effet d ’un effort tranchant trop important (au droit
d ’un appui par exemple)
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2 - LES INSTABILITÉS ÉLASTIQUES2.3 - Le voilement des plaques (2/2)
Dispositions constructives :
P P
Mise en place de raidisseurs
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3 - L ’OSSATURE D ’UN BÂTIMENT MÉTALLIQUE3.1 - Définitions
Bâtiment =
Ossature
+
enveloppe (ensemble bardage/couverture)
Ossature = Ensemble de toutes les barres d ’une construction (poteaux,
traverses, poutres,…) assemblées entre elles pour former le squelette.
Enveloppe = Ensemble bardage + couverture
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3 - L ’OSSATURE D ’UN BÂTIMENT MÉTALLIQUE3.2 - Terminologie
PIGNON
LONG PANPALEE DESTABILITE
POTEAU
POTELET
POUTRE AU VENT PORTIQUE. FAITIERE
LIERNE
BRETELLE
PANNE
SABLIERE
LISSE
SUSPENTE
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3 - L ’OSSATURE D ’UN BÂTIMENT MÉTALLIQUE3.2 - Terminologie
PORTIQUEPANNE
LIERNE
BRETELLE
VUE DE DESSUS
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3 - L ’OSSATURE D ’UN BÂTIMENT MÉTALLIQUE3.2 - Terminologie
CLE
JARRET
JAMBE DE FORCE
POUTRES A INERTIE VARIABLE
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4 - LE CONTREVENTEMENT4.1 - Définition
Charpente métallique Squelette composé d ’éléments très élancés
et très légers
Risque de déplacements importants sous chargement horizontal (vent)
Mise en place d ’un système de contreventement obligatoire pour
descendre au sol les charges horizontales
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4 - LE CONTREVENTEMENT4.2 - Stabilité statique d ’une structure plane (1/2)
F
R
La barre de contreventement permet de « redescendre » l ’effort horizontal au sol
La palée de stabilité (croix de Saint-André) assure la stabilité quelque soit le sens d ’action du vent
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4 - LE CONTREVENTEMENT4.2 - Stabilité statique d ’une structure plane (2/2)
Autres dispositions constructives :
Remplissage en maçonnerie
Inconvénient majeur
Occupation de l ’espace
Jambes de force
Rigidification des nœuds : création de portique de stabilité
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4 - LE CONTREVENTEMENT4.3 - Procédé de contreventement (1/4)
PLANCHER VU DE DESSUS
Palée de stabilité verticale
Stabilité longitudinale :
Les efforts de vent longitudinaux transitent :
Bardage de pignon
Montant de bardage
Poutre au vent
Palée de stabilité
Sol
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4 - LE CONTREVENTEMENT4.3 - Procédé de contreventement (2/4)
Stabilité transversale :
Portique de stabilité (cas général)
Remarque :
Les systèmes mis en place pour reprendre les efforts de vent servent également à reprendre les efforts de freinage de pont roulant.
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4 - LE CONTREVENTEMENT4.3 - Procédé de contreventement (3/4)
Une file de poteaux Au minimum un contreventement longitudinal
4 nefs
Vent longitudinal
Vent transversal
Chaque portique doit être stable Poutre au vent
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4 - LE CONTREVENTEMENT4.3 - Procédé de contreventement (4/4)
Effet du vent sur les fondations : Efforts de soulèvement
Vent longitudinal
Actions sur le sol
appuis des poutres au vent pannes sablières comprimées
Risque de soulèvement du poteau
Mise en œuvre d ’un massif de béton (puit)
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5 - LES ASSEMBLAGESExemples types
Encastrement :
V V MM
N N
F
CONTINUITE DE POUTRE PAR COUVRE-JOINT D’AME ET DE SEMELLE
ENCASTREMENT DE LA CONSOLE SUPPORT DE CHEMIN DE
ROULEMENT SUR LE POTEAU
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5 - LES ASSEMBLAGESExemples types
Encastrement :
ENCASTREMENT DE POUTRE SUR POTEAU AVEC PLATINE D’EXTREMITE
CONTINUITE DE POUTRE PAR PLATINE D’EXTREMITE
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5 - LES ASSEMBLAGESExemples types
Rotule:
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5 - LES ASSEMBLAGESExemples types
Rotule:
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5 - LES ASSEMBLAGESExemples types
Rotule:
LIAISON POTEAU-POUTRE PAR EQUERRE
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5 - LES ASSEMBLAGESExemples types
Rotule:
LIAISON POUTRE-POUTRE PAR ECLISSE OU COUVRE-JOINT D’AME
LIAISON DE BARRES DE POUTRE TREILLIS
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6 - LES ACTIONS CLIMATIQUES6.1 - Les actions du vent
Définies par les règles NV65 (référence DTU P 06-002) édition avril 2000
La pression de vent à prendre en compte pour chaque paroi du bâtiment est fonction :
- de la région,
- du site exposé ou non (coefficient KS),
- de la hauteur de la construction,
- des dimensions des éléments calculés,
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6 - LES ACTIONS CLIMATIQUES6.1 - Les actions du vent
Pression dynamique de base
Pression dynamique d ’extrême en [daN/m²]
Région 1 87,5Région 2 105Région 3 131Région 4 157,5
Carte des vents
Région 5 210+
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6 - LES ACTIONS CLIMATIQUES6.1 - Les actions du vent
Coefficient de site : Ks
Région 1 Région 2 Région 3 Région4 Région 5site protégé 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8site normal 1 1 1 1 1site exposé 1,35 1,3 1,25 1,2 1,2
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6 - LES ACTIONS CLIMATIQUES6.2 - Les actions de la neige
Définies par les règles N84 modifiées 1996.
La charge de neige à prendre en compte dans un calcul de structure est fonction :
- de la région,
- de l ’altitude,
- de la forme de la toiture,
- de la concomitance ou non avec le vent.
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6 - LES ACTIONS CLIMATIQUES6.2 - Les actions de la neige
Donnée de base : Charge de neige au sol
REGION 1A 1B 2A 2B 3 4S normale(daN/m²) 35 35 45 45 55 80S extrême(daN/m²) 60 60 75 75 90 130S accidentelle(daN/m²) 80 80 108 108 144
altitude S0
200/500 S0min+(0,15.H-30)/100
500/1000 S0min+(0,3.H-105)/100
1000/2000 S0min+(0,45.H-255)/100
Carte de Neige…REACTUALISEE 95
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6 - LES ACTIONS CLIMATIQUES6.2 - Les actions de la neige
Coefficients de majoration à prendre en compte à certains endroits où il existe des risques d ’accumulation
Forme de la toiture :
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6 - LES ACTIONS CLIMATIQUES6.2 - Les actions de la neige
Concomitance avec le vent Redistribution des charges
1 - Vent nul
2 - Vent moyen
3 - Vent fort
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7 - LES PONTS ROULANTS7.1 - Généralités
Chariot Chariot en butée
Pont roulant Levage de charges lourdes
Conçu par un industriel (ex : Potain)Les charges et forces de
freinage sont données par le fabricant
Constitution
Galets support
Crochet
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7 - LES PONTS ROULANTS7.2 - Classification des ponts roulants (1/3)
Fréquence d ’utilisation :
niveau Fréquence d’utilisationNombre decycles de
levage
AUtilisation occasionnellenon régulière suivie de
longues périodes de repos6,3.104
BUtilisation régulière en
service intermittent 2.105
CUtilisation régulière en
service intensif 6,3.105
DUtilisation régulière en
service intensif assuré à plusd’un poste
2.106
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7 - LES PONTS ROULANTS7.2 - Classification des ponts roulants (2/3)
Intensité de l’utilisation :
Niveau Etat de charge
0
très léger
Ponts roulants soulevant exceptionnellementla charge maximale et couramment des
charges très faibles
1
léger
Ponts roulants ne soulevant que rarement lacharge maximale et couramment des charges
de l’ordre de 1/3 de celle-ci
2
moyen
Ponts roulants soulevant assez fréquemmentla charge maximale et couramment des
charges comprises entre 1/3 et 2/3 de celle-ci
3
lourd
Ponts roulants régulièrement chargés auvoisinage de la charge maximale
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7 - LES PONTS ROULANTS7.2 - Classification des ponts roulants (3/3)
Classe des ponts roulants :
FREQUENCE D’UTILISATIONA B C D
ETAT 0 1 2 3 4DE 1 2 3 4 5
CHARGE 2 3 4 5 63 4 5 6 6
(Combinaison des fréquences d ’utilisation et des niveaux d ’état de charge )
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7 - LES PONTS ROULANTS7.3 - Chemin de roulement (1/3)
CHEMIN DE ROULEMENT poutres supportant le pont roulant
Chariot en butée
Rail de roulement
Poutre de roulement
Les actions horizontales de freinage sont dans le même sens
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7 - LES PONTS ROULANTS7.3 - Chemin de roulement (2/3)
Chariot en butée
Rail de roulement
Poutre de roulement
Les actions horizontales de freinage sont dans le sens inverse
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7 - LES PONTS ROULANTS7.3 - Chemin de roulement (3/3)
Dimensionnement : Classe du
pontFlèche verticale Flèche horizontale
1-2 L/500 L/5003-4 L/750 L/7505-6 L/1000 L/1000
PONTS LEGERS N<20 TonnesStructure du bâtiment
porteuse du pont roulant
PONTS MOYENS N<80 TonnesPotelés porteur du pont roulant
et contreventés entre eux ou par la structure du bâtiment
PONTS LOURDSPortique sur mesure
Type de support :
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8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.1 - Exigences réglementaires
Se référer à la réglementation propre à chaque type de construction
Exemple : ERP
Catégories Hauteur Structure Plancher Charpente Gaines Cloisonnementtraditionnel non
réservé ausommeil
1 2 3 4 Rdc SF 30mn CF 30mn SF 30mn CF de traversée30mn
PF 30mn
2 3 4 8m SF 30mn CF 30mn SF 30mn CF de traversée30mn
PF 30mn
1 8m SF 1H CF 1H SF 30mn CF de traversée30mn
PF 30mn
2 3 4 8 à 28m SF 1H CF 1H SF 30mn CF de traversée30mn
PF 30mn
1 8 à 28m SF 1H30mn CF 1H30mn SF 30mn CF de traversée30mn
PF 30mn
61
8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.2 - Développement d ’un incendie
Évolution des températures en fonction de la charge combustible :
Courbe incendie normalisée
62
8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.3 - Comportement de l ’acier (1/3)
en o\OO
en MPA
O
A BC
De
Comportement à « froid » :
63
8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.3 - Comportement de l ’acier (2/3)
Comportement à « chaud» : Variation des caractéristiques mécaniques
64
Température critique :
Tige métallique de 1 mm²24 kg à 0°C
12 kg à 500 °C
8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.3 - Comportement de l ’acier (3/3)
65
Poutre isostatique Poutre hyperstatique
Ruine rapideRuine plus lente
Création de rotule
8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.4 - Influence du degré d ’hyperstaticité (1/2)
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Variation de la température critique C :
8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.4 - Influence du degré d ’hyperstaticité (2/2)
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A surface égale, la section de gauche (possédant un facteur de massiveté plus grand) se comportera mieux vis à vis du feu
Facteur de massivité = Surface / Périmètre
8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.5 - Échauffement de l ’acier (facteur de massivité) (1/3)
68
8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.5 - Échauffement de l ’acier (facteur de massivité) (2/3)
Exemples :
69
8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.5 - Échauffement de l ’acier (facteur de massivité) (3/3)
Exemples (montée en température) :
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8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.6 - Mode de protection (1/2)
Possibilités d ’action :
Augmentation de la température critique par surdimensionnement des éléments ou élévation du degré d ’hyperstaticité de la structure
Diminution de la vitesse d ’échauffement par des systèmes de protection ou d ’irrigation des profilés
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8 - L ’ACIER ET L ’INCENDIE8.6 - Mode de protection (2/2)
Possibilités de protection :
1 - Matériaux projetés ou peintures intumescentes
3 - Profilés noyés dans le béton (construction mixte acier-béton)
2 - Protection par plaques en plâtre (encoffrement)
4 - Irrigation des profilés
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JOYEUX NOËL ET BONNE ANNÉE 2002
73
Pont sur la SEVERN
à COALBROOKDALE (GB)
74
CRYSTAL PALACE à LONDRESarchitecte Joseph PAXTON
Vue générale extérieure
75
CRYSTAL PALACE à LONDRESarchitecte Joseph PAXTON
Vue intérieure
76
Halles du marché de BERLINarchitecte Friedrich HITZIG
77
Viaduc de GARABIT
78
79
Ponts sur le Vecchio (Corse)