Memoire_PFE_GC5_EtienneDaelman Construction Métallique EUROCODES

DAELMAN Etienne Elève ingénieur de 5ème année

Septembre 2011

Rapport de Projet de Fin d’Etudes Spécialité Génie Civil

Centre équestre du Chambord Country Club (France)

Nouveaux locaux de l’association de la prévention de la torture (Suisse)

Entreprise : Charpente Concept France SAS. Maître de stage: GROS Anthony. Tuteur INSA : ANTOINET Sébastien

Sujet : Etude comparative de la conception et du dimensionnement de structure bois selon les normes SIA (Suisse) et les Eurocodes.

Rapport de Projet de Fin d’Etudes – Charpente Concept – INSA Strasbourg – Septembre 2011 – Etienne DAELMAN – 5ème année Spécialité Génie Civil

Remerciements Je remercie tout particulièrement Anthony GROS, tuteur de mon projet de fin d’études (PFE), et responsable de l’agence de St Pierre en Faucigny, qui a consacré une partie de son temps à m’encadrer durant l’avancement de celui-ci. Sa disponibilité, son envie de me faire progresser dans le domaine du calcul de structure bois, m’a permis de réaliser mon projet dans de très bonnes conditions afin que l’apprentissage et l’avancement du projet soient le plus efficace possible. Je le remercie également pour sa implication avant ce projet, durant la réalisation des modalités administratives. Je souhaite aussi remercier l’ensemble de l’équipe d’ingénieur, à savoir Antoine ROUX, Aurélien DURAND et Vivien MOLLARD, pour leur disponibilité et le temps qu’ils ont pu me consacrer durant l’avancement du mon PFE. En effet, j’ai ressenti une envie de leur part de m’expliquer l’ensemble des techniques, les « astuces », les règles à respecter, tout cela dans une ambiance agréable. Je remercie également Thomas BUCHI, Président du groupe Charpente Concept. Ce projet fut riche, de par l’envergure des projets sur lesquels j’ai pu travailler dans le but de réaliser mon étude comparative. Ce travail, sur des projets aussi intéressants, fut possible grâce à la confiance que Thomas BUCHI a pu me consacrer. Je n’oublie pas Patricia ROCHAT, secrétaire du groupe Charpente Concept, qui s’est occupée d’une grande partie des formalités administratives, et l’ensemble de l’équipe d’ingénieur du bureau de Perly, avec lesquels j’ai pu échanger et enrichir mes connaissances durant mon projet. Je souhaite également remercier Sébastien ANTOINET, tuteur INSA, qui m’a encadré, conseillé durant la réalisation de ce projet. Sa disponibilité, son suivi régulier et efficace de mon rapport, m’ont permis de réaliser celui-ci dans les meilleures conditions. Enfin, je souhaite remercie toute l’équipe pédagogique de l’INSA, avec notamment Anne ANKENMANN, secrétaire du département Génie Civil et Abdellah GHENAIM chef du département Génie Civil, pour leur encadrement durant la réalisation du projet.

1


Résumé Mon projet de fin d’études consiste à réaliser une étude comparative entre les normes SIA (Normes utilisées en suisse) et les EUROCODES (normes utilisées en France) dans le dimensionnement des structures bois. J’ai pour cela décomposé mon étude en 3 parties. La première partie comprend une étude théorique, expliquant et comparant les normes sous forme de graphiques. Celle-ci fait intervenir des paramètres variant suivant les deux normes, du calcul des charges jusqu'à la vérification des sections de bois. Les deux parties suivantes traitent de deux projets, un projet français et un projet suisse. L’objectif est de comparer les résultats obtenus à partir des deux normes.

Abstract In my graduation project, I carry out a comparative study between the SIA norms (used in Swiss) and the EUROCODES (used in France) to proportion the wood framework. That’s the reason why I divided my study into 3 parts. The first part consists of a theoretical study, in order to explain and compare these norms, with graphs. It involves some parameters that vary according to the norms, from the calculation of loads to the verification of wood sections. The last two parts deal with two projects, a French and a Swiss project. The aim is to compare the results obtained with the two norms.

Mots clés Français : Bois, SIA 265, Eurocode 5, dimensionnement, comparaison, normes. Anglais : Wood, SIA 264, Eurocode 5, design of structure, comparison, norms

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Sommaire Introduction .................................................................................................................... 5 1. Présentation de l’entreprise..................................................................................... 6 1.1.

Historique ............................................................................................................................... 6

1.2.

Les domaines d’activités ......................................................................................................... 6

1.3.

Le travail de l’ingénieur chez Charpente Concept ................................................................ 7

1.4.

L’organigramme de l’entreprise ............................................................................................ 9

2. Entre la France et la Suisse, une approche différente des normes ..................... 10 2.1.

Présentation des Eurocodes et des normes SIA .................................................................. 10

2.2.

Première approche des règlements ...................................................................................... 11

2.3.

Les différences entre les Eurocodes et les SIA .................................................................... 11

2.3.1.

Les Actions selon l’Eurocode 1 et la SIA 261 .......................................................................................... 12

2.3.1.1.

Les charges d’exploitation ................................................................................................................ 12

2.3.1.2.

Les charges de neige ......................................................................................................................... 13

2.3.1.3.

Les charges de vents ......................................................................................................................... 15

2.3.2.

Les combinaisons d’actions selon l’Eurocode 0 et la SIA 260 ................................................................ 19

2.3.2.1.

Selon l’Eurocode 0............................................................................................................................ 19

2.3.2.2.

Selon la SIA 260................................................................................................................................ 20

2.3.2.3.

Les analyses ...................................................................................................................................... 21

2.3.3.

Les contraintes et les déformations selon l’Eurocode 5 et la SIA 265 .................................................... 25

2.3.3.1.

Selon l’Eurocode 5............................................................................................................................ 25

2.3.3.2.

Selon la SIA 265................................................................................................................................ 28

2.3.3.3.

Analyse.............................................................................................................................................. 30

3. Cas d’un projet français ........................................................................................ 35 3.1.

Présentation du projet .......................................................................................................... 35

3.2.

La phase de conception avant le dimensionnement ............................................................ 36

3.3.

Définition des charges selon l’Eurocode 1 et la SIA 261 ................................................... 37

3.3.1.

Les charges de neige ................................................................................................................................. 37

3.3.2.

Les charges de vent ................................................................................................................................... 37

3.3.3.

Le poids propre des éléments et les charges d’exploitation ..................................................................... 38

Les combinaisons d’actions selon l’Eurocode 0 et la SIA 260 ........................................... 39

3.4.

3.4.1.

Les combinaisons d’actions aux ELU (Etats Limites Ultimes) ............................................................... 39

3.4.2.

Les combinaisons d’actions aux ELS (Etats Limites de Services) .......................................................... 40

3.5.

Vérification des sections aux ELU et ELS .......................................................................... 42

3.5.1.

3

Vérification des sections aux ELU (Etats Limites Ultimes) .................................................................... 42

Rapport de Projet de Fin d’Etudes – Charpente Concept – INSA Strasbourg – Septembre 2011 – Etienne DAELMAN – 5ème année Spécialité Génie Civil 3.5.2.

Vérification des sections aux ELS (Etats Limites de Services) ............................................................... 44

3.5.3.

Récapitulatif des résultats et analyse ....................................................................................................... 46

3.5.4.

Conclusion du premier projet ................................................................................................................... 49

4. Cas d’un projet Suisse ........................................................................................... 50 4.1.

Présentation du projet .......................................................................................................... 50

4.2.

Définition des charges selon l’Eurocode 1 et la SIA 261 ................................................... 51

4.2.1.

Les charges de neige : .............................................................................................................................. 51

4.2.2.

Les charges de vent : ................................................................................................................................ 51

4.2.3.

Le poids propre des éléments et les charges d’exploitation ..................................................................... 52

Les combinaisons d’actions selon l’Eurocode 0 et la SIA 260 ........................................... 53

4.3.

4.3.1.

Les combinaisons d’actions aux ELU (Etats Limites Ultimes) ............................................................... 53

4.3.2.

Les combinaisons d’actions aux ELS (Etats Limites de Services) .......................................................... 54

4.4.

Vérification des sections aux ELU et ELS .......................................................................... 55

4.4.1.

Vérification des sections aux ELU (Etats Limites Ultimes) .................................................................... 55

4.4.2.

Vérification des sections aux ELS (Etats Limites de Services) ............................................................... 58

4.4.3.

Récapitulatif des résultats et analyses ...................................................................................................... 59

4.4.4.

Conclusion du second projet .................................................................................................................... 62

4.5.

Dimensionnement des assemblages ..................................................................................... 62

4.5.1.

Les différents types d’assemblage ............................................................................................................ 62

4.5.2.

Dimensionnement des connecteurs selon la SIA 265 et l’EC5 ............................................................... 63

4.5.2.1.

Selon l’EC5 ....................................................................................................................................... 64

4.5.2.2.

Selon la SIA 265................................................................................................................................ 65

4.5.2.3.

Nombre d’élément en fonction des sollicitations .............................................................................. 66

Réalisation des plans d’exécution et d’atelier ..................................................................... 68

4.6.

Conclusion .................................................................................................................... 69 Bibliographie ................................................................................................................ 70 Table des illustrations................................................................................................... 71 Table des annexes ......................................................................................................... 73

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Introduction Afin de conclure ma formation d’ingénieur en génie Civil à l’INSA de Strasbourg, j’ai réalisé durant six mois, du 24 janvier au 28 juillet, un Projet de Fin d’Études (PFE), dont le sujet est de comparer les normes SIA, utilisées en Suisse et les EUROCODES, utilisées en France, dans le dimensionnement de structure bois. Au sein du bureau d’études structure Charpente Concept, les ingénieurs travaillent sur des projets de la phase de conception jusqu’à l’exécution des travaux dans le domaine de la construction bois. Ce bureau d’études étant basé à la fois en Suisse à Perly et en France à St Pierre en Faucigny (74), les projets réalisés dans ce bureau d’études peuvent à la fois être Suisse et Français. C’est cette particularité qui m’a permis de réaliser mon étude comparative. Celle-ci fut décomposée en 3 parties. Ma première tache fut de réaliser une approche théorique. Je me suis ensuite concentré sur un projet français et un projet suisse pour me baser sur des cas concrets. Dans la première partie de mon projet, je me suis consacré à une recherche bibliographique des deux normes, à la fois dans le calcul des charges (SIA 261 et EC1), le calcul des combinaisons d’action (SIA 260 et EC0) et la vérification des sections (SIA 265 et EC5). Pour cela, j’ai tout d’abord établi une analyse comparative des textes normatifs à partir de différents graphiques, dans lesquels je faisais varier certains paramètres. Par exemple : variation de l’altitude de l’ouvrage dans le calcul de la charge de neige. Dans ma seconde partie, je me suis basé sur mon étude théorique pour dimensionner, à la fois aux Eurocodes et aux normes SIA, un projet français, à savoir le Chambord Country Club. Ce projet se compose de différents ouvrages, centre équestre, hôtel, villas, hameau, gymnase…, cependant je me suis limité à dimensionner deux de ces bâtiments, le Hameau, qui est un bâtiment de logement à un étage et le centre équestre. Pour terminer, j’ai dimensionné un projet suisse, à savoir les nouveaux locaux de l’association de la prévention de la torture aux normes SIA et aux Eurocodes. Cet ouvrage se compose de deux bâtiments. Le premier est un plein pied composé d’une toiture terrasse accessible, alors que le second est un bâtiment travaillant comme un pont. En effet, il possède une structure en treillis et repose d’un côté sur une « culée » en béton et de l’autre sur le premier bâtiment.

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1. Présentation de l’entreprise 1.1.

Historique

Charpente Concept est un bureau d’ingénieurs bois et d’ingénieurs civils associés. Créé en 1991 en tant que bureau d’études et d’expertises par Thomas Buchi. Charpente Concept est spécialisé dans l’élaboration de structures en bois. En 1999, Charpente Concept France SAS est créé, puis en 2007, Charpente Concept Thomas Buchi et Reto Emery Sarl à Morges apparaît.

Les domaines d’activités

1.2.

Charpente Concept intervient dans différents types de projets : 

des écoles



des bâtiments publics



des ouvrages d’art



des villas et maisons



des immeubles administratifs



des ouvrages symboles



des halles à grande portée



des restaurations d’ouvrages anciens

On peut ainsi notamment voir à son actif "la halle 7 du Palexpo à Genève (CH)" en 1994, "le pont de Crest (26)" en Rhône-Alpes en 2001, "Le Palais de l’équilibre" en 2002 pour l’exposition du développement durable à Neuchâtel (CH), "le centre aquatique et de Loisirs" a Neydens (74) en 2009. Figure 1.1: Centre de loisir de Neydens

Figure 1.2: Palais de l'équilibre

Actuellement, le projet phare en cours de réalisation est, "le refuge sur l’aiguille du Goûter ", qui est un exploit technique réalisé à 3837m d’altitude. Figure 1.3: Refuge du Gouter

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1.3.

Le travail de l’ingénieur chez Charpente Concept

En Suisse, il existe tout comme en France des phases d’avancement pour les projets. En France, ces phases sont régies par la loi sur la Maîtrise d’Ouvrages publics (loi MOP). En Suisse, les phases de projet sont régies par la norme Suisse SIA 103 intitulée "Règlement concernant les prestations et honoraires des ingénieurs civils". Le déroulement usuel de l’ensemble des prestations se définit par le projet, la réalisation et l’exploitation. Charpente Concept n’intervient que durant la phase projet, et éventuellement durant la phase réalisation lorsqu’il possède un mandat de Coordination des Travaux. Il faut également savoir qu’un bureau d’ingénieur peut intervenir en tant que mandataire principal ou en tant que spécialiste. Un ingénieur spécialiste mandaté De façon plus détaillée, voici le déroulement des différentes étapes :  Définition des objectifs : - Dans cette phase, l’ingénieur n’a pas de missions ordinaires. Cette définition des objectifs a pour but de réaliser une première sélection d’équipe d’architecte et d’ingénieur pour la phase concours qui va suivre. Tout cela dans le cas d’un marché public.  Etudes préliminaires (Phase concours): - Etude de la faisabilité - Procédure de mandataire - Chiffrage estimatif du projet  Mandat de base, étude du projet (phase APS à la phase PRO en France): - Avant-projet (phase APS et APD) : L’ingénieur devra présenter les différentes solutions, effectuer un prédimensionnement des parties de l’ouvrage, donner les incidences sur le coût, les délais, l’environnement et la sécurité. Il devra également s’assurer de l’aptitude de la demande d’autorisation de construire. - Projet de l’ouvrage (phase PRO): L’ingénieur fixera les variantes de solutions constructives en vue de concrétiser le projet. Des concepts seront élaborés, ainsi que le calcul et le dimensionnement sommaire de la construction, la détermination des dimensions principales et le traitement de toutes les justifications nécessaires en ce qui concerne la sécurité structurale, l’aptitude au service et la durabilité. Pour la ou les variantes choisies, les plans seront élaborés. En termes de coût, un devis sera établi et l’ingénieur devra vérifier le respect de l’enveloppe par étape.  Appel d’offres (ACT et DCE en France): - Durant cette phase, une soumission (connu sous le nom de DCE, Dossier de Consultation des entreprises, en France) est établie, c’est-a-dire un cahier contenant la liste des prestations avec un avant-métré et un descriptif de l’ouvrage. L’ingénieur devra comparer les offres des entreprises, rédiger un rapport comparatif des offres, et justifier des écarts de coûts par rapport au devis et le réviser.

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 Réalisation (phase d’exécution) : - Projet d’exécution : Les éléments porteurs ou non sont dimensionnés et tous les détails constructifs sont traités. L’ingénieur réalise des plans de construction et de détails ainsi que la liste des pièces et des matériaux. - Exécution de l’ouvrage : L’exécution devra être contrôlée ainsi que l’utilisation et la mise en œuvre des matériaux.  Exploitation : - Mise en service, achèvement : pas de missions ordinaires pour ces phases, il existe des prestations à convenir spécifiquement. - Fonctionnement - Maintenance Un ingénieur en tant que mandataire principal  Définition des objectifs (Programme en France): - Dans cette phase, l’ingénieur doit assister à la mise sur pied du catalogue d’exigences et présenter des approches méthodologiques possibles tout en indiquant les incidences pour les différentes solutions, Il doit également fournir une estimation sommaire des différentes méthodologies.  Mandat de base avec l’étude préliminaire (phase APS et APD en France) : - Etude de la faisabilité : L’ingénieur doit ici analyser partiellement le projet, présenter les solutions possibles de conflit, étudier la faisabilité du projet dans le domaine de la spécialité, dans le cas de Charpente Concept, la structure bois, et présenter des esquisses de solutions. Un plan de déroulement et de délai sera élaboré. - Procédure de mandataire : l’ingénieur doit préparer des documents pour la mise en concurrence (documents de concours, de soumission).  Etude du projet (phase PRO en France): - Durant cette phase, le travail de l’ingénieur sera sensiblement le même que dans le cas de l’ingénieur spécialiste.  Appel d’offres (ACT et DCE en France): - Il en sera de même pour cette phase.  Réalisation (phase EXE en France) : - Les éléments porteurs ou non sont dimensionnés. Tous les détails constructifs sont traités. - L’ingénieur réalise des plans d’exécution, des plans d’atelier et la direction des travaux pour certains projets.  Exploitation : - Mise en service, achèvement - Fonctionnement - Maintenance Les dernières phases ne seront pas décrites, car ne constituent pas la majorité des cas.

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L’organigramme de l’entreprise

1.4.

Thomas Büchi Maître Charpentier Diplomé, Fondateur et Président du Groupe Charpente Concept

Rafael Villard Ingénieur Civil HES, Vice président de Charpente Concept Suisse, Administrateur

Reto Emery Ingénieur diplômé EPFZ, Directeur Général de Charpente Concept Vaud, Administrateur

Pierre Meylan Consultant Charpente Concept, Administrateur

Bernard Benoît Directeur Général de Charpente Concept France,

Anthony Gros Ingénieur Civil Université Grenoble, Membre de la direction

Patricia Rochat Responsable administrative Charpente Concept Suisse

Claude Ethnoz Ingénieur Civil HES

Freya Haeni Administration Charpente Concept Suisse

Aurélien Durand Ingénieur ENISE

Caroline Rochat Administration Charpente Concept Suisse et France

Antoine Roux Ingénieur Construction bois CHECParis

René Montavon Maître Charpentier

Adrien Cheneval Ingénieur Civil, Arts et métiers ParisTech

Julie Brégeon Ingénieur Civil, INSA - Toulouse

Figure 1.4: Organigramme de Charpente Concept

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2. Entre la France et la Suisse, une approche différente des normes 2.1.

Présentation des Eurocodes et des normes SIA  Les Eurocodes

Les Eurocodes ont été élaborés à partir de 1990 dans le but d’unifier l’ensemble des normes européennes de conception, de dimensionnement et de justification des structures de bâtiment et de génie civil. C’est sous l’initiative du Comité Européen de la Normalisation (CEN) que les Eurocodes ont été rédigés. Il existe 9 Eurocodes, chacun subdivisé en chapitre et sous chapitre : Eurocode 0: Bases de calcul Eurocode 1: actions sur les structures Eurocode 2: Calcul des structures en béton Eurocode 3: Calcul des structures en acier Eurocode 4: Calcul des structures mixtes acier-béton Eurocode 5: Calcul des structures en bois Eurocode 6: Calcul des ouvrages en maçonnerie Eurocode 7: Calcul géotechnique Eurocode 8: Conception et dimensionnement des structures pour leur résistance aux séismes Eurocode 9: Calcul des structures en alliages d'aluminium Prochainement, l’utilisation des Eurocodes, en France, sera obligatoire. Actuellement, un grand nombre de bureaux d’études ou de contrôle n’utilisent pas encore ces Eurocodes. Pour ce qui est de Charpente Concept, l’ensemble des ingénieurs travaillant pour des projets français utilise uniquement les Eurocodes pour la conception, le dimensionnement et la justification de ses structures bois. Mon projet de fin d’études étant orienté, construction bois, je me pencherai principalement sur l’utilisation des Eurocodes 0, 1, et 5.  Les normes SIA En Suisse, les normes en vigueur sont les SIA. Cette norme est récente et a été créée en raison de la mise en place des Eurocodes. En effet, en tant que membre du CEN, la Suisse a le devoir de retrait c’est-à-dire qu’elle doit retirer dans un délai donné, ses normes nationales en opposition avec les normes européennes. C’est pour cela que le projet Swisscodes a été lancé en 1999. Son objectif est le développement de normes suisses sur les structures porteuses qui soient à la fois plus maniables et plus proches de la pratique, tout en étant compatibles avec les Eurocodes. L’organisation de ces normes est analogue à celle des Eurocodes, la collection actuelle comprend donc huit normes. Norme SIA 260 : Bases pour l’élaboration des projets de structures porteuses

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Norme SIA 261 : Actions sur les structures porteuses Norme SIA 262 : Construction en béton Norme SIA 263 : Construction en acier Norme SIA 264 : Construction mixte acier–béton Norme SIA 265 : Construction en bois Norme SIA 266 : Construction en maçonnerie Norme SIA 267 : Géotechnique. Les règles de calcul ressemblent donc énormément aux Eurocodes. Elles sont toutes deux basées sur les états limites. Néanmoins, il existe des différences, notamment dans l’application de certains coefficients, et dans l’utilisation de valeurs d’états limites différentes. A noter que l’adaptation en Suisse aux nouvelles normes de construction bois fût plus rapide et cela, du notamment à la similitude entre le nouveau et l’ancien code contrairement à la France, entre le CB71 et l’Eurocode 5. En effet, le CB71 est basé sur les contraintes limites, alors que l’Eurocode 5 sur les états limites.

2.2.

Première approche des règlements

La première partie du travail réalisé durant mon projet de fin d’études a été de me familiariser avec les deux règlements, à savoir les normes SIA et les Eurocodes. Pour cela, j’ai réalisé des feuilles de calculs Excel afin de calculer les charges climatiques (neige et vent) et d’autres pour vérifier les sections de bois aux Etats limites Ultimes (ELU) selon les deux règlements. Ces feuilles de calculs sont présentées en annexe 15 pour les charges climatiques et 16 pour la vérification des sections. Je me suis basé sur la réalisation de deux petits projets, à savoir la charpente d’une villa et une tribune (voir figure 2.1) pour réaliser ces feuilles de calculs qui m’ont servi par la suite pour effectuer l’ensemble des graphiques et tableaux comparatifs du projet.

2.3.

Figure 2.1: Tribune d'Andilly

Les différences entre les Eurocodes et les SIA

 Les actions : Le dimensionnement des structures consiste, premièrement, à calculer les actions agissant sur celle-ci. Le calcul et l’analyse de ces actions seront présentés dans le paragraphe suivant. Ils seront basés sur l’Eurocode 1 et la SIA 261.

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 Les combinaisons d’actions : Comme précisé précédemment, les Eurocodes et les SIA sont basés sur les états limites. Différentes combinaisons d’actions sont à appliquer pour chaque état limite afin de déterminer la plus défavorable. Voici les deux états limites : -ELS (Etat Limite de Service) -ELU (Etat Limite Ultime) L’ensemble des combinaisons et des coefficients à appliquer seront analysés dans le paragraphe 2.3.2 qui sera basé sur l’Eurocode 0 et la SIA 260.  Les contraintes et les déformations: Nous allons ensuite analyser les contraintes et les déformations calculées à partir des sollicitations, afin de les vérifier en les comparants aux contraintes de dimensionnement et aux flèches limites (aptitude au service). Celles-ci sont obtenues en prenant en compte la géométrie de la structure, les conditions d’exposition et les caractéristiques des matériaux. Cette partie fera l’objet du paragraphe 2.3.3 qui sera basé sur l’Eurocode 5 et la SIA 265. Les Actions selon l’Eurocode 1 et la SIA 261

2.3.1.

Les actions agissant sur la structure sont de différentes natures. On retrouve les actions suivantes :  Les actions permanentes G, qui sont composées du poids propre de l’ouvrage (structure, couverture, plancher, cloison, …) et d’éventuels équipements fixes. Cellesci ne seront pas analysées, car aucune différence n’existe entre l’Eurocode et la SIA.  Les actions variables Q, sont composées des charges d’exploitation et des actions climatiques (vent et neige). Ce sont ces actions que l’on analysera dans les paragraphes suivants.  Les actions accidentelles Ad telles que le feu, la neige accidentelle et les risques de choc ou d’explosion  Les actions sismiques AEd. 2.3.1.1.

Les charges d’exploitation

Les charges d’exploitation sont fonction de la catégorie et de l’usage du bâtiment. Certaines valeurs sont différentes entre l’Eurocode 1 et la SIA 261. On peut noter que les charges d’exploitation selon la SIA 261 et l’Eurocode 1 sont relativement semblables. L’ensemble des valeurs est répertorié en annexe 1.

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2.3.1.2.

Les charges de neige  Selon l’Eurocode 1

Les charges de neige sur les toitures sont données par les formules suivantes : S=μi(α).Ce.Sk.CT [kN/m²], pour les situations de projet durable ou transitoire

(1)

S=μi(α).Ce.SAd.CT [kN/m²], pour les situations de projet accidentel

(2)

-

μi(α), le coefficient de forme appliqué à la charge de neige. Il dépend du type de toiture, de la pente du versant et de la redistribution de la neige par le vent ;

-

Ce, le coefficient d’exposition ;

-

CT, le coefficient thermique ;

-

Sk = Sk,200+Δs1, La valeur de la charge de neige sur le sol. Elle dépend de la région et de l’altitude du bâtiment ;

-

SAd, La valeur accidentelle de la charge de neige sur le sol. Elle dépend de la région du bâtiment ;

Les valeurs des coefficients sont données en annexe 2.  Selon la SIA 261 La charge de neige sur la toiture est donnée par la formule suivante : qk=μi. Sk .Ce.CT [kN/m²]

(3)

-

μi(α), le coefficient de forme appliqué à la charge de neige. Il dépend du type de toiture, de la pente du versant et de la redistribution de la neige par le vent ;

-

Ce, le coefficient d’exposition ;

-

CT, le coefficient thermique ;

-

Sk=(1+(h0/350)²)*0,4 ≥0,9 kN :m², La valeur caractéristique de charges de neige. Elle dépend de la région et de l’altitude du bâtiment (Cf. Annexe 2) ;  Les analyses

Le calcul de la charge de neige est semblable selon l’Eurocode 1 et la SIA 261. Cette charge dépend de :

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-

l’altitude ;

-

la région ;

-

la pente de toiture ;

-

la forme de toiture ;

-

les déperditions thermiques ;

-

l’exposition au vent.


Afin d’analyser les deux règlements, les charges de neige ont été calculées selon l’Eurocode 1 et la SIA 261, en faisant varier l’altitude et la pente de toiture. En effet, il n’est pas nécessaire de faire varier les coefficients Ce et CT car leurs valeurs sont les mêmes pour les deux règlements. Voici les hypothèses : -

zone géographique : Région Rhône Alpes pour l’Eurocode 1 Régions sans majoration de l’altitude (h0=0m), cf. Annexe 2

-

toiture à deux versants ;

-

exposition au vent normal.

L’ensemble des résultats est obtenu à partir de feuilles de calculs Excel, réalisées durant mon PFE, dans le but de maîtriser la norme SIA 261 et l’Eurocode 1 et de pouvoir calculer les charges climatiques lors du dimensionnement de projet.

Charge de neige en fonction de l'altitude pour une pente de toit de 20° Charge de neige (kN/m²)

10 9 8 Charge de neige selon l'EC1

7 6 5

Charge de neige selon la SIA 261

4 3 2 1 0 0

500

1000

1500

2000

Altitude (m) Figure 2.2: Charge de neige en fonction de l'altitude pour une pente de toit de 20°

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Charge de neige en fonction de la pente de toiture pour une altitude de 400m Charge de neige (kN/m²)

0,8 0,7 0,6

Charge de neige selon l'EC1 Charge de neige selon la SIA 261

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

10

20

30

40

50

60

70

pente de toiture (°) Figure 2.3: Charge de neige en fonction de la pente de toiture pour une altitude de 400m

La principale différence entre l’Eurocode 1 et la SIA 261 et la manière de calculer la charge de neige caractéristique Sk. En effet, l’Eurocode 1 définit une formule de calcul différente tous les 500m, ce qui affine le résultat final. Quant-à-elle, la SIA 261 définit une seule formule de calcul, cependant elle réajuste la valeur de l’altitude en ajoutant h0 égal à +/-200m, +400m ou +500m en fonction de la région. Dans notre cas, nous avons pris un h0= 0m, ce qui sous estime, dans les régions montagneuses la charge de neige. Pourtant, celles-ci restent quand même nettement supérieures aux valeurs obtenues avec l’Eurocode 1. 2.3.1.3.

Les charges de vents  Selon l’Eurocode 1

La charge de vent de calcul à partir de la formule suivante : qp=[1+7.Iv(z)].0,5.ρ.V²m(z) [kN/m²] ρ, la masse volumique de l’air ; Vm=Cr(z).C0(z).Vb, le vent moyen [m/s] ; C0(z), le coefficient orographique égal à 1 sauf spécification ; Vb=Cdir.Cseason.Vb,0, la vitesse de référence [m/s] ; Cdir, le coefficient de direction (valeur recommandée=1) ; Csaeson, le coefficient de direction (valeur recommandée=1) ; Vb,0, la valeur de base de la vitesse de référence [m/s] ; Cr(z)=kr.ln(z/z0) pour zmin
15

(4)


zmin, la hauteur minimum [m]; zmax=200m ; kr=0,19.(z0/z0,II)0,07, le facteur de terrain ; z0,II=0,05m (catégorie de terrain II) ; pour zmin
Iv(z)=

kI, le coefficient de turbulence, (valeur recommandée=1). Les valeurs des coefficients Vb,0, z0 et zmin sont donnée en annexe 3  Selon la SIA 261 qp=Ch.qp0 [kN/m²] Ch=1,6.[(z/zg)αr+0,375]2, le coefficient de profil de répartition du vent ; zg, la hauteur de gradient [m] ; αr, l’exposant de rugosité ; qp0, la pression dynamique. Les valeurs des coefficients zg, αr et qp0 sont donnée en annexe 3.  Coefficient de pression Cp,net On peut également noter qu’un coefficient de pression Cp,net (égal à Cpe-Cpi, respectivement coefficient de pression extérieure et coefficient de pression intérieure), vient se multiplier à la valeur de qp. Ce coefficient est fonction de la zone du bâtiment exposé au vent, de la direction du vent et de la géométrie de l’ouvrage. La manière de présenter ces coefficients est différente suivant les deux normes. En effet, l’EC1 expose l’ensemble de ces coefficients dans des tableaux, répertorié en fonction du type de toiture, à savoir, toiture plate, toiture à un versant, …., contrairement à la SIA 261 qui répertorie ses coefficients en fonction de la géométrie complète du bâtiment avec le rapport h : b : d et la pente de toit. Par exemple, le rapport 1 : 2 : 1,5, signifie que b=2h et d=1,5h. C’est pour cela que selon l’EC1, on peut trouver une valeur répertoriée dans un tableau pour tous les types de géométries de bâtiment, alors que selon la SIA 261, il faut choisir les valeurs se rapprochant au maximum de l’ouvrage, ce qui entraine certaines imprécisions.  Les analyses Comme on peut le voir en fonction des expressions déterminant la charge de vent sur les bâtiments, cette charge dépend de : -

16

La rugosité du sol (exposition au vent du bâtiment)


-

La situation géographique

-

La géométrie du bâtiment (hauteur, pente de toit,…)

Afin d’analyser les deux règlements, les charges de vent ont été calculées selon l’Eurocode 1 et la SIA 261, en faisant varier la hauteur du bâtiment et la rugosité du sol. Nous garderons une géométrie classique, à savoir un bâtiment ayant une hauteur variable, une largeur de 10m et une longueur de 20m (h : b : d = x : 2 : 1) et une toiture à deux versants de pente 30°. Nous prendrons dans nos résultats les valeurs les plus défavorables de coefficients de dépressions en toiture et pressions en façade (souvent dimensionnantes). Pour ce qui est de la situation géographique, nous nous sommes placés en zone frontalière entre la France et la Suisse, proche de Genève, afin d’avoir des catégories équivalentes. Comme pour les charges de vent, l’ensemble des résultats est obtenu à partir de feuilles de calculs Excel présentées en annexe 15.

Charges de vent en toiture à 2 versants de 30° en fonction de la hauteur de bâtiment en zone urbaine (bxd=20mx10m)

Charge de vent(kN/m²)

0 -0,2 0

10

20

30

40

50

60

-0,4

Charge de vent selon l'EC1 Charge de vent selon la SIA 261

-0,6 -0,8 -1 -1,2 -1,4 -1,6

Hauteur de bâtiment (m)

Figure 2.4 : Charges de vent en toiture à 2 versants de 30° en fonction de la hauteur de bâtiment en zone urbaine

Charge de vent(kN/m²)

Charges de vent en façade en fonction de la hauteur de bâtiment en zone urbaine (bxd=20mx10m) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Charge de vent selon l'EC1 Charge de vent selon la SIA 261

0

10

20

30

40

50

60

Hauteur de bâtiment (m) Figure 2.5: Charges de vent en façade en fonction de la hauteur de bâtiment en zone urbaine

17


Pour ce qui est des catégories de terrain (rugosité du sol), voici les équivalents entre l’Eurocode 1 et la SIA 261 : Type de terrain

Catégorie de terrain selon Eurocode 1

Catégorie de terrain selon SIA 261

Bord de mer ou lac

0

II

Rase campagne

II

IIa

Zone rurale

IIIa

III

Zone industrielle ou bocage dense

IIIb

III

Zone urbaine ou foret

IV

IV

Tableau 2-1 : Equivalence des catégories de terrain

Charges de vent en toiture (2 versants à 30°) en fonction du type de terrain pour une hauteur de bâtiment de 20m W EC1 (kN/m²)

Bord de mer ou lac

Rase campagne

W SIA (kN/m²)

Zone rurale

-0,963 -1,161 -1,359

Zone industrielle -0,963 -1,173

Zone urbaine ou foret -0,729 -0,986

-1,411 -1,683

-1,989 Figure 2.6: Charges de vent en toiture (2 versants à 30°) en fonction du type de terrain pour une hauteur de bâtiment de 20m

Charges de vent en façade en fonction du type de terrain pour une hauteur de bâtiment de 20m W EC1 (kN/m²) 1,17

1,057

Bord de mer ou lac

0,99

0,903

Rase campagne

0,83

W SIA (kN/m²)

0,749

Zone rurale

0,69 0,749

Zone industrielle

0,58 0,567

Zone urbaine ou foret

Figure 2.7: Charges de vent en façade en fonction du type de terrain pour une hauteur de bâtiment de 20m

18


Contrairement aux charges de neige, les charges de vent sont plus défavorables en dépression sur les toitures en pente à deux versants selon l’EC1. Cependant, pour les pressions en façade, les valeurs sont équivalentes selon les deux normes. Il faut noter, que de nombreux types de géométrie existent (toiture à une seule pente, à 4 versants, façade ouverte, toiture plate, toiture avec acrotères, …), il faut donc utiliser ces résultats comme une première approche de l’étude. 2.3.2.

Les combinaisons d’actions selon l’Eurocode 0 et la SIA 260

Une fois les actions déterminées, nous allons appliquer les combinaisons d’actions associées à chaque état limite. Le premier état limite, l’ELU a pour but d'assurer : - la résistance de la structure (STR) - L’équilibre de la structure (EQU) - Le non dépassement de la résistance du sol (GEO) Le second état limite l’ELS vise à assurer le confort des personnes (vibrations) et à limiter les déformations à la fois pour le confort visuel, mais également pour le second œuvre (le vitrage par exemple). Il ne faut pas négliger cet état, souvent dimensionnant. Les combinaisons d’actions consistent à additionner chaque action en les pondérant. Cette pondération est fixée en fonction de la durée d’action des charges variables (coefficient ψ) et également afin d’avoir une marge de sécurité (coefficient γ). En effet, les coefficients ψ0, ψ1, ψ2, viennent pondérer les valeurs des actions variables d’accompagnement en fonction de leur durée d’action. Respectivement, rare (SIA) ou caractéristique (EC0), fréquente et quasi-permanente. Les valeurs des coefficients ψ et γ sont données dans l’annexe 4 et on peut relever le fait que pour les SIA, seuls les coefficients ψ pour les charges climatiques changent. 2.3.2.1.

Selon l’Eurocode 0  Les combinaisons d’actions aux ELU

Pour vérifier la résistance et l’équilibre statique des structures, on applique la combinaison d’action suivante, selon l’EC0 :  Situation de projet durable ou transitoire (5)  Situation de projet accidentelle (6)  Situation de projet sismique (7)

19


 Les combinaisons d’actions aux ELS  Combinaison caractéristique (situation irréversible) (8)  Combinaison fréquente (9)  Combinaison quasi-permanente (10) Cependant, il ne faut pas oublier de prendre en compte le fluage du bois dans le temps. Pour cela un coefficient kdef, fonction du type de bois (bois massif, lamellé collé, …), et de la classe d’exposition, vient s’appliquer aux charges permanentes ou quasi-permanentes (G et ψ2.Q). Du fait de la prise en compte de la classe d’exposition, ce coefficient dépend par conséquent de l’hygrométrie du bois. On peut également noter que, contrairement à l’ancien règlement (CB71), ce coefficient ne prend pas en compte l’état de contrainte de l’élément. La valeur de kdef est donnée en Annexe 5. La combinaison caractéristique devient alors : (11) 2.3.2.2.

Selon la SIA 260  Les combinaisons d’actions aux ELU

Peu de changements sont effectués dans le cas des normes SIA. Les seuls changements sont les suivants : -

On n’applique pas le coefficient pour les actions variables d’accompagnement dans le cas d’un projet durable ou transitoire.

-

On applique le coefficient accidentel.

pour l’ensemble des actions variables dans le cas

Voici les combinaisons d’action, selon les SIA :  Situation de projet durable ou transitoire (12)  Situation de projet accidentelle (13)  Les combinaisons d’actions aux ELS Dans le cas des SIA, les combinaisons sont les mêmes mais le coefficient de fluage φ est différent. Celui-ci dépend seulement des conditions d’humidité et pas du type de bois. Sa valeur est donnée en annexe 5.

20


2.3.2.3.

Les analyses

Pour analyser les deux règlements, nous allons nous baser sur un cas simple. Nous allons calculer les combinaisons d’action en posant des hypothèses et en reprenant les résultats numériques des actions climatiques, calculées précédemment. Dans le cas des ELU, nous allons faire varier les charges d’exploitation qui dépendent de la fonction du bâtiment dans le cas d’une dalle entre étages dans un premier temps. Dans un second temps, nous allons faire varier l’altitude du bâtiment dans le cas d’une toiture, car les valeurs de ψ (pour la neige) se calculent différemment selon l’Eurocode 0 et la SIA 260. Les valeurs sont calculées pour un projet durable ou transitoire, car les actions accidentelles ne seront pas traitées dans ce projet. Pour ce qui est des ELS, nous allons étudier l’influence des mêmes paramètres que pour les ELU, c'est-à-dire la charge d’exploitation et de neige, ainsi que l’influence de la classe de bois (variation du coefficient de fluage). Les valeurs sont calculées par l’intermédiaire d’une feuille de calculs Excel. Celle-ci calcule l’ensemble des combinaisons, cependant dans les cas des ELS, nous nous baserons sur les résultats de la combinaison caractéristique, qui est le cas le plus défavorable (situation irréversible).  Combinaison d’action aux ELU, variation des charges d’exploitation Voici les hypothèses de calcul pour une dalle intérieure: -

Charge permanente Gk,inf=0,8 kN/m² (charge de structure seule durant le chantier) et Gk,sup = 2,1 kN/m² (charge permanente totale de l’ouvrage);

-

Charges d’exploitation, variable avec la fonction du bâtiment (cf. annexe 1) ;

-

Charge de neige et de vent nulle car on est en présence d’une dalle intérieure.

Combinaison d'action aux ELU pour un plancher intérieur (Valeurs en kN/m²) Eurocode 0

5,1 5,8

8,1 7,3

8,8 6,6

6,6 7,3

SIA 260

6,6 7,3

8,8 8,8

10,310,3

10,310,3

Figure 2.8: Combinaison d'action aux ELU pour un plancher intérieur

A noter que cette étude représente la différence entre les valeurs des charges d’exploitation référencées dans l’annexe 1, car les coefficients des combinaisons sont identiques entre la SIA 260 et l’Eurocode 0.

21


 Combinaison d’action aux ELU, variation de l’altitude du bâtiment Voici les hypothèses de calcul, pour une toiture en terrasse accessible (cas présentant les différents types de charges) : -


-

Charge d’exploitation, pour une toiture accessible Q=3,5 kN/m² (EC1) et Q=3 kN/m² (SIA 261) ;

-

Charge de neige pour une altitude variable (valeurs, cf. paragraphe 2.2.1.2) ;

-

Pour les charges de vent, n’étudiant pas les valeurs coefficients de pression, nous allons prendre les valeurs les plus défavorables de Cp pour un bâtiment de dimensions h=20m ; L=25m ; l=10m ; toiture plate, dont le vent s’exerce sur le long pan;

D’après l’Eurocode 1-1-4, tableau 7.2 on a, Cpe= +0,2 (pression) Cpe=-1,8 (dépression) et Cpi=+0,2 ou -0,3 car on n’a pas de grande ouverture en façade. D’après la SIA 261, Annexe C tableau 34, Cpe=-1,05 (dépression) et Cpi=-0,35 On obtient les Charges de vent pour un bâtiment en ville W=qp.Cp=qp.(Cpe-Cpi) W+ =0,58.(0,2+0,3) = 0,29 kN/m² et W- =0,58.(-1,8-0,2)=-0,74 kN/m² (EC1) W+ =0 kN/m² et W- =0,81.(-1,05+0,35) = -1,13 kN/m² (SIA 261).

Combinaison d'action aux ELU (kN/m²)

Combinaison d'action aux ELU pour une toiture en pente de 30° 20,0 18,0 16,0 14,0

Eurocode 0

12,0 SIA 260

10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0

500

1000

1500

2000

Altitude (m) Figure 2.9: Combinaison d'action aux ELU pour une toiture en pente de 30°

La valeur plus élevé de la charge d’exploitation selon l’Eurocode 1 et le coefficient de sécurité de 1,5 explique pourquoi la combinaison d’action donne une charge plus importante jusqu’à 800m d’altitude selon l’EC1. Cela est compensé par la suite par l’intermédiaire de la différence entre les charges de neige (cf. figure 6).  Combinaison d’action aux ELS, variation des charges d’exploitation Voici les hypothèses de calcul pour une dalle intérieure:

22


-


-

Bois Massif ou lamellé collé de classe 2 (bois protégé des intempéries sauf durant la phase chantier), Kdef=0,8 (EC5) et φ=0,6 (SIA 265) ;

-

Charges d’exploitation, variable avec la fonction du bâtiment (cf. annexe 1) ;

-

Charge de neige et de vent nulle, car on est en présence d’une dalle intérieure.

Combinaison d'action aux ELS pour un plancher intérieur (valeurs en kN/m²) Eurocode 0

8,1 5,6 5,7

6,9

6,9

8,1

6,9 6,9

SIA 260

7,5 7,4

9,7 8,8

11,210,2

11,210,2

Figure 2.10: Combinaison d'action aux ELS pour un plancher intérieur

 Combinaison d’action aux ELS, variation de l’altitude du bâtiment Voici les hypothèses de calcul pour une toiture en terrasse accessible (cas présentant les différents types de charges) : -


-


-

Charge de neige pour une altitude variable (valeurs, cf. paragraphe 2.2.1.2) ;

-

Les charges de vents sont identiques que pour l’analyse des combinaisons aux ELU, W+ = 0,29 kN/m² et W- = -0,74 kN/m² (EC1) W+ =0 kN/m² et W- = -1,13 kN/m² (SIA 261).

-

23

Bois Massif ou lamellé collé de classe 2 (bois protégé des intempéries), Kdef=0,8 (EC5) et φ=0,6 (SIA 265) ;


Combinaison d'action aux ELS pour une toiture terrasse Combinaison d'action aux ELU (kN/m²)

20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0

Eurocode 0 SIA 260

0

500

1000 Altitude (m)

1500

2000

Figure 2.11: Combinaison d'action aux ELS pour une toiture terrasse

 Combinaison d’action aux ELS, variation de la classe de bois Voici les hypothèses de calcul pour une toiture terrasse : -


-

Bois Massif ou lamellé collé de classe 1, 2 ou 3 (cf. annexe 5).

-


-

Charge de neige pour une altitude de 400m, S=0,68 kN/m² (EC1) et qk=0,74 kN/m² (SIA 261) (valeurs, cf. paragraphe 2.2.1.2) ;

-

Les charges de vents sont identiques que pour l’analyse des combinaisons aux ELU, W+ = 0,29 kN/m² et W- = -0,74 kN/m² (EC1) W+ =0 kN/m² et W- = -1,13 kN/m² (SIA 261).

Combinaison d'action aux ELS pour une toiture terrasse, à une altitude de 400m (kN/m²) Eurocode 0

SIA 260

12,2 7,8

Classe 1

7,5

8,5

Classe 2

11,7

7,5

Classe 3

Figure 2.12: Combinaison d'action aux ELS pour une toiture terrasse, à une altitude de 400m

24


Que ce soit pour les ELU ou les ELS, les combinaisons d’action donnent généralement des charges relativement semblables entre les deux règlements. En effet, certaines charges sont plus importantes selon la SIA 261, notamment celles de la neige, mais cela se compense par l’absence de coefficient de sécurité γ aux ELU pour les actions variables secondaires selon la SIA 260 et par une valeur plus faible du coefficient de fluage pour le bois protégé des intempéries aux ELS. 2.3.3.

Les contraintes et les déformations selon l’Eurocode 5 et la SIA 265

La vérification des sections aux états limites ultimes est réalisée en comparant les contraintes obtenues à partir des sollicitations sur la structure, avec les contraintes de calcul résistant, prenant en compte la géométrie de la structure, les conditions d’exposition et les caractéristiques des matériaux. Le calcul de la résistance ultime se fait différemment selon l’EC 5 et la norme SIA 265. Pour ce qui est de la vérification aux ELS, on mesure la flèche finale (après fluage), que l’on compare à des valeurs limites qui sont fonction de l’usage du bâtiment. 2.3.3.1.

Selon l’Eurocode 5  Les contraintes limites aux ELU

On calcul la résistance ultime du bois à partir de la résistance caractéristique de bois Rk, du coefficient kmod qui est fonction de la durée de charge et de la classe de service ainsi que du coefficient partiel de sécurité γM dépendant du type de bois utilisé:

(14)

Les valeurs de kmod pour le bois massif, le bois lamellé collé, le lamibois (LVL) et le contreplaqué ainsi que le coefficient γM sont répertoriées en annexe 6. Cette formule permet de calculer les contraintes limites de flexion, de compression, de traction et de cisaillement. A cette valeur, on vient multiplier des facteurs géométriques, qui viennent réduire la valeur de contrainte résistante (sauf pour le coefficient de hauteur > 1). Ces coefficients s’appliquent lorsque la géométrie de l’élément en bois vient réduire sa capacité résistante. Les coefficients sont les suivants: -Coefficient de hauteur kh -Coefficient de flambement kc -Coefficient d’instabilité provenant du déversement kcrit -Coefficient d’entaille kv -Coefficient de volume kvol -Coefficient considérant la redistribution des contraintes de flexion dans une section km

25


Dans le cas des sollicitations composées, il faut également vérifier l’interaction entre ces efforts : Flexion et traction axiale

Flexion et compression axiale

(15)

(16)

(17)

(18)

Flexion et compression axiale avec

Flexion et compression axiale avec

risque de flambement

risque de déversement

(19) (20) (21)

Avec : σm,d la valeur de calcul de la contrainte de flexion σm,y,d la valeur de calcul de la contrainte de flexion selon l’axe y σm,z,d la valeur de calcul de la contrainte de flexion selon l’axe z σc,d la valeur de calcul de la contrainte de compression σc,0,d la valeur de calcul de la contrainte de compression parallèle au fil σt,0,d la valeur de calcul de la contrainte de traction parallèle au fil fm,d la valeur de calcul de la résistance en flexion fm,y,d la valeur de calcul de la résistance en flexion selon l’axe y fm,z,d la valeur de calcul de la résistance en flexion selon l’axe z fc,0,d la valeur de calcul de la résistance en compression parallèle aux fibres ft,0,d la valeur de calcul de la résistance en traction parallèle aux fibres kcy le coefficient de flambement selon l’axe y kcz le coefficient de flambement selon l’axe z km le coefficient considérant la redistribution des contraintes de flexion dans une section

26


 Les déformations limites aux ELS Pour vérifier les états limites de service, des valeurs de flèche à ne pas dépasser sont à respecter. Cette valeur dépend de l’usage du bâtiment. La flèche varie dans le temps avec le fluage comme l’explique la figure suivante : Figure 2.13: Définition de la flèche

Winst, la flèche instantanée, auquel vient s’ajouter dans le temps la flèche due au fluage Wcreep. Cela donne la flèche finale Wnet,fin. A noter qu’une contre-flèche peut être faite en atelier avant la mise en place de l’élément en bois Wc. Trois types déformations sont à respecter : -

W1, résultant de l’exigence de la durabilité et de respect des hypothèses de calcul de la structure elle-même. Wnet,fin1, est déterminée à partir de la combinaison d’actions caractéristique. Les valeurs des flèches admissibles selon l’annexe nationale de l’Eurocode 5 pour les éléments en bois sont les suivantes :

Tableau 2-2: Flèches admissibles selon l'EC5

Remarque : L’annexe nationale précise que pour les panneaux de plancher et pour les supports de toiture, on se limitera à une flèche de L/250. -

27

W2, sont les déformations limites de la structure correspondant au bon fonctionnement des ouvrages du second œuvre. Les valeurs des flèches admissibles sont déduites de la déformation limite fixée pour l’ouvrage de second œuvre ayant à subir la déformation. Certains avis techniques de produits précisent les flèches limites à respecter. L’usage consiste à se limiter à une flèche de L/500, lorsque de la verrerie ou de la menuiserie est en contact avec la structure. Wnet,fin2, est déterminée à partir de la combinaison d’actions caractéristiques.


-

W 3, correspondant aux exigences de confort d’usage, de fonctionnement et d’aspect spécifiées pour le projet individuel. Wnet,fin3, est déterminée à partir de la combinaison d’actions définies par les documents du marché.  Les vibrations limites aux ELS

La vérification des vibrations d’un plancher consiste à vérifier la fréquence fondamentale du plancher. Celle-ci se calcule en considérant uniquement la charge permanente. Pour un plancher rectangulaire, la fréquence fondamentale f1(Hz) peut s’approximer à la valeur suivante : f1=

(23)

m, la masse en kg/m² l, la portée du plancher en m (EI)l, la rigidité équivalente en flexion de la plaque du plancher selon un axe perpendiculaire à la direction des solives en Nm²/m. Pour le cas d’un plancher résidentiel, il convient d’avoir une fréquence f1>8Hz. 2.3.3.2.

Selon la SIA 265  Les contraintes limites aux ELU

Pour ce qui est de la norme SIA 265, le calcul de la résistance ultime du bois prend en compte les paramètres suivants : - Rk, la résistance caractéristique de bois ; - ηt, facteur de majoration, fonction de la durée d’application des actions, généralement égale à 1 (1,4 pour les actions accidentelles) ; - ηw, facteur réducteur, fonction de l’humidité du bois ; - ηM, facteur de conversion entre les résultats d’essais normalisés et les conditions réelles - γM, facteur de résistance. Les valeurs des coefficients sont données en annexe 7.

(24)

28


 Les coefficients géométriques Comme pour l’Eurocode 5, des coefficients géométriques viennent s’appliquer à la résistance de l’élément. La seule différence avec l’EC5, est l’absence du coefficient kvol (coefficient de volume), absent dans la SIA 265. Ceux-ci ne seront pas détaillés dans ce paragraphe, car ils sont communs aux deux normes et seront appliqués dans les paragraphes 3 et 4 avec les études de cas.  Les sollicitations composées Les sollicitations composées sont soumises à certaines vérifications comme pour l’Eurocode 5

Flexion et traction composées

(25)

Compression et Flexion composées

(26)

Compression et flexion composées avec risque de déversement et de flambement (27) Remarque : selon la SIA 265, le coefficient de déversement s’écrit km (kcrit selon l’EC5). On peut noter que le coefficient considérant la redistribution des contraintes de flexion dans une section (kmod selon l’EC5) n’est pas pris en compte selon la SIA, ce qui augmente la valeur limite de résistance.  Les déformations limites aux ELS La flèche admissible selon la SIA 265 dépend du type de charge. Comme on a pu le voir dans le paragraphe 2.3.2.2, trois types de combinaisons d’action existent selon le type de charge, c'est-àdire, les charges rares (comportement irréversible), les charge fréquentes et charges quasi permanentes. Pour chaque type de charge, une valeur de flèche admissible existe. Voici leurs valeurs :

29


Tableau 2-3: Flèches admissibles selon la SIA265

Il convient de prendre un flèche admissible de L/500, lorsque la structure est en contact avec des éléments du second œuvre fragiles tel que des menuiseries ou de la verrerie, et prendre un flèche admissible de L/350 pour les autres cas d’aptitude au fonctionnement.  Les vibrations limites aux ELS Ce critère d’aptitude au service est identique à l’Eurocode. 2.3.3.3.

Analyse

Afin d’analyser nos résultats, nous allons étudier le cas le plus simple qui est une poutre sur deux appuis ayant une bande de charges d’un mètre. Dans l’analyse suivante, nous allons faire varier les paramètres influençant les valeurs de résistance ou de flèche admissible. Afin de déterminer la norme la plus restrictive, il faut prendre en considération les valeurs de contraintes et de flèches limites, mais également les charges appliquées. En effet, il est possible que les résistances limites soient plus contraignantes selon une norme, mais que la valeur plus faible des sollicitations compense cette différence. L’ensemble des résultats est obtenu à partir de feuilles de calculs Excel, afin de dimensionner des sections de bois, connaissant les sollicitations. Comme pour l’analyse des charges ou des combinaisons, les paramètres influençant les résultats que nous allons faire varier : -

30

La section de l’élément en bois (ELU)


-

La longueur efficace (ELU)

-

La classe de bois suivant l’exposition aux intempéries (ELU)

-

La durée de chargement (ELU et ELS)

 Influence de l’élancement de l’élément pour la résistance du bois (ELU) Voici les hypothèses de calcul pour une poutre sur 2 appuis de portée de 5m : -

Sollicitation pour un plancher de logement (voir paragraphe 2.2.2.2) Selon EC0 : Qd ELU = 5,1 kN/ml ; Myd=15,9 kN.m ; Vzd=12,8 kN ; Selon SIA260 : Qd ELU = 5,8 kN/ml ; Myd=18,1 kN.m ; Vzd=14,5 kN ;

-

Section variable

-

Selon l’EC5, chargement à moyen terme, et classe de bois 2, kmod=0,8

-

bois lamellé collé GL24H γM=1,25 (EC5) et γM /ηM=1,5 (SIA 265)

-

Selon la SIA 265 on a une classe de bois de 1, ηW=1.

Section de bois nécessaire aux ELU 400

h(mm)

300

Eurocode 5 SIA 265

200 100 0 0

50

100 b (mm)

150

200

Figure 2.14: Section de bois nécessaire aux ELU

 Influence de la longueur efficace pour la résistance du bois (ELU) Voici les hypothèses de calcul pour une poutre sur 2 appuis : -


-

Section de 100x280mm

-

Selon l’EC5, chargement à moyen terme, et classe de bois 2, kmod=0,8

-


-

Selon la SIA 265 on a une classe de bois de 1, ηW=1.

-

Longueur de poutre égale à la longueur efficace (poutre sur 2 appuis) variable

31


Variation du taux de travail en fonction de la longueur efficace aux ELU

Pourcentage de travail (%)

94 92 90

Eurocode 5

88 86

SIA 265

84 82 80 78 0

2

4

6

8

10

L eff (m) Figure 2.15: Variation du taux de travail en fonction de la longueur efficace aux ELU

Remarque : La cassure de la courbe se situe au moment ou le coefficient de déversement n’est plus égal à 1.  Influence de la classe de bois et de la durée de chargement pour sa résistance(ELU) Voici les hypothèses de calcul pour une poutre sur 2 appuis de portée de 5m: -


-

Section de 100x280mm

-

Selon l’EC5, temps de chargement et classe de bois variable, kmod variable (cf.annexes 6 et 7)

-


-

Selon la SIA 265 on a une classe de bois variable, ηW variable

Remarque : Nous avons pris les sollicitations pour un plancher de logement. Normalement, ce type de plancher est un bois de classe 1 (protégé des intempéries) et soumis à une charge à moyen terme (charge d’exploitation). Cependant, dans le cadre de l’étude, nous avons considéré que ces paramètres (classe d’exposition et durée de chargement) étaient variables.

32


Influence de la classe de chargement et la classe du bois sur le taux de travail aux ELU Eurocode 5

SIA 265

127 107

115 107 106

106

89

107 98

107 9189

80

91 80

91

107 89 79

89 7980 70

89 80 70

80 70 58

58

Figure 2.16: Influence de la classe de chargement et la classe du bois sur le taux de travail aux ELU

 Influence de du type de chargement sur la flèche admissible (ELS) Pour ce qui est des états limites de service, il faut comparer les flèches admissibles qui sont fonctions des cas de charges et de la fonction du bâtiment pour l’Eurocode 5. Voici le rapport w net,fin (EC5)/ w net,fin (SIA 25), en fonction des paramètres cités :

Second œuvre à caractère fragile Durabilité de la structure Aspect de l’ouvrage

Tous les bâtiments; chevrons

Bâtiments courants; éléments structuraux

SIA : L/500 EC : L/500 SIA/EC : 1 SIA : L/350 EC : L/150 SIA/EC : 2,33 SIA : L/300 EC : L/150 SIA/EC : 2

SIA : L/500 EC : L/500 SIA/EC : 1 SIA: L/350 EC: L/200 SIA/EC : 1,75 SIA: L/3O0 EC: L/200 SIA/EC : 1,5

Bâtiments agricoles ou similaires; éléments structuraux SIA : L/500 EC : L/500 SIA/EC : 1 SIA : L/350 EC : L/150 SIA/EC : 2,33 SIA : L/300 EC : L/150 SIA/EC : 2

Tableau 2-4: Comparaison des flèches admissibles selon l'EC5 et la SIA 265

33

Panneau de plancher ou support de toiture SIA : L/500 EC : L/500 SIA/EC : 1 SIA : L/350 EC: L/250 SIA/EC : 1,4 SIA : L/300 EC : L/250 SIA/EC : 1,2


Aux états limites de services, les flèches admissibles selon la SIA 265 sont entre 1 et 2,3 fois plus importantes que selon l’Eurocode 5, alors que les charges appliquées sont relativement semblables. Si aux états limites ultimes, les résultats sont relativement semblables selon les normes SIA et Eurocodes, il en est autrement pour les états limites de services. En effet, aux ELU les charges, notamment celles de la neige sont généralement plus importantes selon la SIA 261, cependant l’absence des coefficients de sécurité γ pour les actions variables secondaires compense cette différence. Aux ELS, (états souvent dimensionnants), les flèches admissibles sont plus contraignantes selon la SIA 265 alors que les charges appliquées sont relativement semblables. On peut également préciser que l’Eurocode 5 prend en compte un plus grand nombre de paramètres (exemple, la valeur du coefficient kdef ou le calcul des charges de vents). Cela a pour conséquence d’affiner les résultats et d’optimiser les sections de bois. Les valeurs obtenues permettent une première approche de l’étude comparative entre les Eurocodes et les normes SIA dans le dimensionnement des structures bois. Nous allons maintenant nous baser sur des projets réels pour approfondir cette comparaison.

34


3. Cas d’un projet français 3.1.

Présentation du projet

Ce projet est le Chambord Country Club, situé dans le village de La Ferté-Saint-Cyr, au sein du département du Loir et Cher. Celui-ci accueillera un centre de résidence, de détente et de loisirs. Voici les différents acteurs de ce projet : - Maître d’ouvrage : SNC Chambord Nature Passion - Architectes : Wilmotte & Associés SA à Paris - Ingénieurs Civils, Fluides et sécurité : Bonnard & Gardel - Ingénieurs Bois : Charpente Concept France Caractéristiques : - Superficie : 400 HA - Projet orienté BBC - Permis de construire : fin 2011 - DCE prévu pour septembre 2012 - Livraison prévue étalée de fin 2013 à 2016 (60 à 100 villas par an) Liste des bâtiments, l’ensemble ayant une structure bois - Pavillon d’entrée : 100m² - Club house : 900m² - Hôtel 4* : 7000m² - Spa Aquatherme : 850m² - Fitness Center : 550m² - Kids Clubs : 400m² - Commerces : 700m² - 150 maisons en Bandes : 100m² - 62 maisons Ranch : 190m² - 250 maisons Golf : entre 200m² et 320m² - 33 maisons Cavalière : 200m² - 14 maison Etang : 320m² - Ferme : 250m² - Centre équestre : Ranch house 300m², manège 800m², écurie 1800m² - Restaurant : 400m² - Hameau : 5500m² Actuellement le projet termine sa phase d’avant projet définitive. J’ai donc pu notamment réaliser le prédimensionnement d’une partie de ces bâtiments selon les normes Eurocodes mais également suivant les normes SIA afin de comparer ces différents résultats. Pour mon étude, je me baserai sur le dimensionnement du centre équestre et du hameau figurant sur les photos ci-dessous.

35


Figure 3.1: Centre équestre du Chambord Country Club

Figure 3.2 : Hameau du Chambord Country Club

Les plans de ces deux bâtiments sont répertoriés en annexe 8 et 9.

3.2.

La phase de conception avant le dimensionnement

Dans chaque projet, la conception est une phase très importante et doit être réalisée avant tout dimensionnement. En effet, les exigences architecturales et la physique du bâtiment sont les deux principaux points développés pendant la conception. Cette phase de travail ne rentre pas dans le cadre de l’étude comparative, mais a dû être réalisée durant le projet.  Les exigences architecturales Un travail de collaboration est effectué avec l’architecte afin de trouver des compromis entre notamment les possibilités de réalisation, la pérennité de l’ouvrage (le bois étant un matériau naturel) et le respect architectural.  La physique du bâtiment La majorité des projets ont pour objectif d’avoir une labellisation Minergie (pour la Suisse) ou BBC (pour la France). Avant tout dimensionnement, la définition des matériaux périphériques au bois, à savoir la membrane d’étanchéité, le choix de l’isolant et son épaisseur, le pare vapeur,…, est à réaliser. Un calcul des coefficients de transmission thermique surfacique de chaque paroi (U en W.m-².K-1) doit également être effectué dans l’optique d’obtenir le label.

36


De plus, le bois et l’isolant (généralement de la laine de bois ou de la laine de roche) sont des matériaux naturels. La réflexion sur l’étanchéité à l’air et à l’eau durant la phase de conception à une grande importance sur la durabilité de l’ouvrage. Durant cette phase, de nombreux détails de conception sont réalisés par l’ingénieur. A noter que chez Charpente Concept, tous les plans sont réalisés par l’ingénieur bois et non pas par des dessinateurs projeteurs.

3.3. 3.3.1.

Définition des charges selon l’Eurocode 1 et la SIA 261 Les charges de neige

Voici les hypothèses retenues afin de calculer les charges de neige selon l’EC1 et la SIA 261. Ces valeurs sont calculées selon les formules du paragraphe 2.3.1.2 : Les feuilles de calculs permettant de calculer ces charges sont présentées en annexe 15. -

Altitude : 130m

-

Coefficient de toiture μ=0,8 (pente inférieure à 30°)

-

Coefficient d’exposition Ce=1

-

Valeur caractéristique

Sk=0,45 kN/m² selon l’Eurocode 1 Sk=0,9 kN/m² selon la SIA 261

Nous obtenons les charges suivantes :

qk,n=0,36 kN/m² selon l’EC1. qk,n=0,72kN/m² selon la SIA 261.

La restriction qui minore le Sk à 0,9 selon la SIA 261 est la raison pour laquelle les charges de neige sont autant différentes. Le territoire Suisse étant à une altitude minimum de 400m, la valeur de neige obtenue selon la SIA261 sera une hypothèse de calcul pour la suite de l’étude. 3.3.2.

Les charges de vent

Voici les hypothèses retenues afin de calculer les charges de vent selon l’EC1 et la SIA 261. Ces valeurs sont calculées selon les formules du paragraphe 2.3.1.3 : Les feuilles de calculs permettant de calculer ces charges sont présentées en annexe 15. - Hauteur des bâtiments 9,5m (Ranch House, h=9m ; Manège, h=9,40m ; Hameau, h=9,3m). - Zone : Zone 2 selon l’EC1 - Catégorie de terrain : IIIa selon l’EC1 III selon la SIA 261 - C0=1 - qp0=0,9 (région à basse altitude) selon la SIA 261 Nous obtenons les charges suivantes :

37

qp=0,64 kN/m² selon l’EC1. qp=0,89kN/m² selon la SIA 261.


A ces valeurs, vient s’appliquer le coefficient Cp net = Cpe-Cpi. Cpe étant le coefficient de pression extérieure et Cpi le coefficient de pression intérieure. Remarque : Au stade de l’avant projet, les charges horizontales n’ont pas été prises en compte. Seules les pressions et dépressions sur les toitures ont été calculées.

Avant toit du Steak house Toiture du Steak house Toiture du manège Avant toit du Hameau Toiture du Hameau

Cp net selon Cp net selon la l’EC1 SIA 261 -1,8 -1,15 -0,9 -0,55 -1,6/+1 -0,55/+1,1 -1,9 -1,15 -0,8 -0,55

W (kN/m²) selon l’EC1 -1,15 - 0,6 -1,03/+0,64 -1,22 -0,52

W (kN/m²) selon la SIA 261 -1,03 -0,49 -0,49/+0,98 -1,03 -0,49

% de différence 10,4 18,3 52/35 15,5 5,7

Tableau 3-1: Tableau comparatif des charges de vent

Remarque 1 : Les valeurs positives sont les pressions et les valeurs négatives, les dépressions. Remarque 2 : De nombreux coefficients de pressions différents sont à appliquer sur une même toiture en fonction de la zone de toit étudiée. Pour simplifier l’étude, nous avons considéré les valeurs les plus défavorables, réparties de manière majoritaire sur la toiture. 3.3.3.

Le poids propre des éléments et les charges d’exploitation

L’ensemble des compositions de structure (toiture, coursive ou plancher) est répertorié en annexe 10 et les charges d’exploitation en annexe 1. Concernant les charges d’exploitation pour les toitures non accessibles, les charges utiles d’entretien ne s’additionnent pas avec les charges climatiques. Concernant l’Eurocode, seules les toitures, ayant une pente inférieure à 15% (cas du hameau) auront leurs charges d’entretien dimensionnantes par rapport aux charges climatiques. Pour ce qui est de la SIA, la charge d’entretien est de 0,4kN/m² quelque soit la pente. Les charges obtenues sont les suivantes :

Toiture en pente du Hameau (<15%) Coursive du hameau Dalle entre étages du hameau (Habitation) Toiture isolée, du steak house (>15%) Toiture Manège et Ferme (>15%) Toiture Ecuries (>15%) Toiture non isolée Steak House (>15%)

Gk,sup (kN/m²)

Gk,inf (kN/m²)

Q selon l’EC1

Q selon la SIA 261

% de différence pour Q

1,00 kN/m2

0,90

0,8 kN/m²

0,4 kN/m²

50

0,60 kN/m2

0,50

3,5 kN/m²

3,0 kN/m²

16 ,6

3,60 kN/m2

3,60

1,5 kN/m²

2,0 kN/m²

25

1,00 kN/m2

0,90

0,4 kN/m²

/

0,30 kN/m2

0,20

0,4 kN/m²

/

0,50 kN/m2

0,40

0,4 kN/m²

/

0,40 kN/m2

0,30

0,4 kN/m²

/

1,5 kN 1,5 kN 1,5 kN 1,5 kN

Tableau 3-2: Tableau comparatif des charges permanentes et utiles

38


3.4.


3.4.1.

Les combinaisons d’actions aux ELU (Etats Limites Ultimes)

Les combinaisons d’actions sont définies dans le paragraphe 2.3.2.1 pour l’Eurocode 0 et dans le paragraphe 2.3.2.2 pour la SIA 260. Les valeurs des coefficients de pondération sont présentées dans l’annexe 4. Dans notre cas nous obtenons, les coefficients sont les suivants : φ0,Gi= 1,35 ou 1 (charge variable principale, selon l’EC0 et la SIA 260) φ0,Qi= 1,5 ou 0 (charge variable principale, selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ0,W= 0,6 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ0,S= 0,5 (selon l’EC0) ; Ψ0,S= 0,55 (selon la SIA 260) Ψ0,CU,plancher= 0,7 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ0,CU,toiture= 0 (selon l’EC0 et la SIA 260) Nous obtenons ainsi les combinaisons suivantes : Selon l’EC0 :

1,35 Gsup + 1,5 S + 0,9 W+ + 1,05 Q 1,35 Gsup + 0,75 S + 1,5 W+ + 1,05 Q 1,35 Gsup + 0,75 S + 0,9 W+ + 1,5 Q Ginf + 1,5 W-

Selon la SIA 260 : 1,35 Gsup + 1,5 S + 0,6 W+ + 0,7 Q 1,35 Gsup + 0,55 S + 1,5 W+ + 0,7 Q 1,35 Gsup + 0,55 S + 0,6 W+ + 1,5 Q 0,8 Ginf + 1,5 W-

neige prédominante vent prédominant charge utile prédominante soulèvement prédominant


Remarque : Pour les combinaisons d’actions, la charge utile (charge d’entretien) ne s’additionne pas avec les charges climatiques dans le cas des toitures non accessibles.

Toiture en pente du Hameau (<15%) Coursive du hameau Dalle entre étages du hameau Toiture isolée, du steak house (>15%) Toiture Manège et Ferme (>15%) Toiture Ecuries (>15%) Toiture non isolée Steak House (>15%)

Charge selon l'EC0

Charge selon la SIA 260

% de différence

2,82 kN/m²

2,43 kN/m²

13,8

6,06 kN/m²

5,31 kN/m²

12,4

7,11 kN/m²

7,86 kN/m²

9,5

1,89 kN/m²

2,43 kN/m²

22,2

1,64 kN/m² -1,35 kN/m² 1,22 kN/m² -0,38 kN/m² 1,08 kN/m² -1,43 kN/m²


27,7 60 30,7 10,5 33,3 12,6

Tableau 3-3: Tableau comparatif des combinaisons de charge au ELU

39


Les charges de pression sont plus élevées dans le cas des toitures en pente >15% selon la SIA. Cela est notamment dû à la charge de neige plus élevée selon la SIA 261. Cependant, pour les toitures en pente <15%, les charges sont plus importantes selon l’EC1. Cela est dû à la présence d’une charge d’entretien de 0.8 kN/m² selon l’EC0. Concernant le plancher et les coursives, les charges sont représentatives des charges d’exploitation (supérieures selon l’EC pour les coursives et supérieures selon la SIA pour le plancher) 3.4.2.

Les combinaisons d’actions aux ELS (Etats Limites de Services)

Les combinaisons d’actions sont définies dans le paragraphe 2.3.2.1 pour l’Eurocode 0 et dans le paragraphe 2.3.2.2 pour la SIA 260. Les valeurs des coefficients de pondération sont présentées dans l’annexe 4. Dans notre cas nous obtenons, les coefficients sont les suivants : k def = 0,8 (selon l’EC5) ; φ = 0,6 (selon la SIA 265) pour le bois protégé des intempéries, ce qui est le cas des bâtiments étudiés. Ψ1,W= 0,2 (selon l’EC0) ; Ψ1,W= 0,5 (selon la SIA 260) Ψ1,S= 0,2 (selon l’EC0) ; Ψ1,S= 0 (selon la SIA 260) Ψ1,CU,plancher= 0,5 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ1,CU,toiture= 0 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ2,W= 0 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ2,N= 0 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ2,CU,plancher= 0,3 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ2,CU,toiture= 0 (selon l’EC0 et la SIA 260) Nous obtenons ainsi les combinaisons suivantes : Selon l’EC0 : Caractéristiques

1,8 Gsup + 1,24 Q + 0,6 W+ + 0,5 S 1,8 Gsup + 0,94 Q + W+ + 0,5 S 1,8 Gsup + 0,94 Q + 0,6 W+ + S Ginf + W-

charge utile prédominante vent prédominant neige prédominante soulèvement prédominant

Fréquentes

1,8 Gsup + 0,74 Q 1,8 Gsup + 0,2 W+ 1,8 Gsup + 0,2 S Ginf + W-


Quasi permanentes 1,8 Gsup + 0,54 Q Remarque : Pour les combinaisons d’actions, la charge utile (charge d’entretien) ne s’additionne pas avec les charges climatiques dans le cas des toitures non accessibles. Selon la SIA 260 : Caractéristiques

40




Fréquentes

1,6 Gsup + 0,68 Q 1,6 Gsup + 0,5 W+ 1,6 Gsup Ginf + W-


Quasi permanentes 1,8 Gsup + 0,54 Q Combinaison caractéristique


Charge selon l'EC0


% de différence

2,97 kN/m²

2,47 kN/m²

17,0

5,42 kN/m² 8,34 kN/m²

4,50 kN/m² 8,12 kN/m²

17,0 2,6

2,16 kN/m²

2,47 kN/m²

12,5



29,8 65 24,5 25 28,4 14,4

Tableau 3-4: tableau comparatif des combinaison de charge aux ELS caractéristique (EC0) et rare (SIA260) Combinaison fréquente


Charge selon l'EC0


% de différence

2,39 kN/m²

1,87 kN/m²

21,7

3,67 kN/m² 7,59 kN/m²

3,00 kN/m² 7,12 kN/m²

18,3 6,2

1,87 kN/m²

1,87 kN/m²

0,0



31,1 65 9,3 25 13,2 0,14

Tableau 3-5: tableau comparatif des combinaisons de charge aux ELS fréquente Combinaison quasi permanente


Charge selon l'EC0


% de différence

2,23 kN/m²

1,82 kN/m²

18,6

2,97 kN/m² 7,29 kN/m²

2,58 kN/m² 6,84 kN/m²

13,1 6,2

1,80 kN/m²

1,82 kN/m²

0,9

0,54 kN/m²

0,70 kN/m²

22,4

0,90 kN/m²

1,02 kN/m²

11,4

0,72 kN/m²

0,86 kN/m²

15,9

Tableau 3-6:tableau comparatif des combinaisons de charge aux ELSquasi permanente

41


A ce stade de l’étude, il est difficile de comparer les deux règlements, car les flèches admissibles aux états limites de service sont différentes entre les deux règlements.

3.5. 3.5.1.

Vérification des sections aux ELU et ELS Vérification des sections aux ELU (Etats Limites Ultimes)

Tous les éléments de bois ont été vérifiés selon l’Eurocode 5 et la SIA 265. Le calcul des sollicitations s’est fait soit par le logiciel de calcul CUBUS, soit manuellement pour les cas statiques simples. Les plans en annexe 8 et 9 réfèrent la position de l’ensemble des éléments dimensionnés. Les feuilles de calculs permettant de vérifier les sections aux ELU sont présentées en annexe 16. Remarque : La structure porteuse de la toiture du hameau et du steak house ainsi que le plancher du hameau est réalisé par l’intermédiaire de caisson Lignotrend, dont le fabricant donne directement les valeurs de contraintes résistantes selon l’EC5. Elles seront donc remplacées par des systèmes classiques, à savoir, des solives pour les planchers et des pannes pour les toitures, dans le cadre de l’étude. L’ensemble des éléments en bois sont de classe 2 (bois sous abris sauf durant la phase chantier). Ils sont soumis à un chargement à moyen terme (neige < 1000m d’altitude, le vent n’étant pas dimensionnant) et sont de sections rectangulaires en bois lamellé collé. Les coefficients sont donc les suivants : kmod=0.8 (EC 5) km=0.7 (EC 5) γM=1.25 (EC 5) ηW=1 (SIA 265) ηt=1 (SIA 265) γM/ηm=1.5 (SIA 265) Dans les tableaux suivants sont référencés les sollicitations, le type de bois et la section retenue de chaque élément :

42


Hameau

Centre équestre

EC 5

Vz,d (kN)

My,d (kN.m)

type de bois

55,4

63,4

GL28H

180

378

99

40,5

52,7

GL28H

220

313

99

/

/

GL28H

180

220

100

-156

/

/

GL28H

160

160

100

32000

-137,5

25,2

0

GL28H

340

695

99

Angle portique manège

/

-165

129,8

813

GL28H

380

855

99

Pied de poteau portique manège

6400

-164,9

129,8

0

GL28H

380

255

98

Entrait ferme écurie

12500

+46,4

/

/

GL28H

193

193

100

Arbalétrier ferme écurie

12500

-57,7

17,8

30,2

GL28H

200

325

100

Pannelette manège

6000

0

3,94

5,91

GL24H

120

139

100

Pannelette steak house

6000

0

3,4

5,15

GL24H

120

130

99

Pannelette écurie

5200

0

2,54

3,3

GL24H

100

114

99

Faitage toiture

7500

0

98,1

128,3

GL28H

200

465

99

Rive toiture

7500

0

81,8

106,9

GL28H

200

425

99

Sommier intermédiaire plancher

7500

0

247,1

323,3

GL28H

280

645

100

Sommier rive plancher

7500

0

123,6

161,7

GL28H

280

440

100

Sommier coursive

7500

0

28,4

53,3

GL28H

200

300

99

Solivage coursive

2500

0

4,53

2,84

GL24H

80

118

100

Poteau

5000

-238,8

/

/

GL28H

187

187

99

Diagonales poutre treillis

6540

+285,4/278

/

/

GL28H

200

293

100

Panne toiture

3750

0

3,02

2,83

GL24H

100

105

100

Solive plancher

3750

0

18,9

14,2

GL24H

120

216

99

7510

-170

2,68

20,12

GL28H

200

310

100

7500

+329,2

0,75

2,61

GL28H

200

460

100

5360

+410,6

/

/

GL28H

200

300

100

Nom de l'élément

Leff (mm)

Faitage lucarne

6750

Noue lucarne

13400

Diagonales lucarnes

9320

Poteau steak house

4570

Faitage portique manège

Membrure supérieure poutre treillis Membrure inférieure poutre treillis Poteau poutre treillis

Nx,d (kN) +123/77 +74,7/31 +123/77

Tableau 3-7: Sections de bois obtenues aux ELU selon l'EC5

43

section bxh (mmxmm)

taux de travail (%)


Hameau

Centre équestre

SIA 265

Vz,d (kN)

My,d (kN.m)

type de bois

71,2

81,5

GL28H

180

395

100

52,1

67,7

GL28H

220

335

100

/

/

GL28H

240

233

100

-199

/

/

GL28H

169

169

99

32000

-190

35

0

GL28H

380

660

99


/

-230

178,6

1125

GL28H

380

1000

100

pied de poteau portique manège

6400

-230

178,6

0

GL28H

380

400

99


12500

+67,4

/

/

GL28H

210

210

100


12500

-83,7

25,9

43,8

GL28H

240

305

100

Pannelette manège

6000

0

5,45

8,17

GL24H

120

153

99


6000

0

3,9

5,8

GL24H

120

129

99

Pannelette écurie

5200

0

3,66

4,76

GL24H

100

128

99

Faitage toiture

7500

0

84,5

110,5

GL28H

200

420

98

Rive toiture

7500

0

70,4

92,2

GL28H

200

380

99


7500

0

273,2

357,4

GL28H

280

838

99


7500

0

136,7

178,9

GL28H

280

450

99

Sommier coursive

7500

0

24,9

46,7

GL28H

200

265

99

Solivage coursive

2500

0

3,98

2,49

GL24H

80

103

100

Poteau

5000

-256,7

/

/

GL28H

188

188

100


6540

+306/299

/

/

GL28H

200

315

100

Panne toiture

3750

0

2,6

2,44

GL24H

100

91

100

Solive plancher

3750

0

21,1

15,8

GL24H

120

212

100

7510

-182,8

2,88

21,6

GL28H

200

320

98

7500

+353,9

0,85

3,17

GL28H

200

480

99

5360

+455

/

/

GL28H

200

320

100

Nom de l'élément

Leff (mm)

Faitage lucarne

6750

Noue lucarne

13400

Diagonales lucarnes

9320

Poteau steak house

4570


membrure supérieure poutre treillis membrure inférieure poutre treillis poteau poutre treillis

Nx,d (kN) +159/98,9 +96,6/40 +116/187

section bxh (mmxmm)

taux de travail (%)

Tableau 3-8: Sections de bois obtenues aux ELU selon la SIA 265

Remarque : Les éléments de bois ayant un effort normal positif sont soumis à de la traction, et inversement. 3.5.2.

Vérification des sections aux ELS (Etats Limites de Services)

La vérification aux ELS a consisté à vérifier les flèches de la manière suivante : -

Vérification de l’aptitude au fonctionnement et de la durabilité de l’ouvrage, à savoir : L/350 selon la SIA 265 L/250 selon l’EC 5

-

Vérification de l’aptitude au fonctionnement avec des éléments du second œuvre fragile, à savoir les rives de toiture et de plancher avec la présence de façades vitrées. L/500 selon la SIA 265 et l’EC 5

Les sollicitations ont été calculées à partir de la combinaison d’actions caractéristiques.

44


Nom de l'élément

Leff (mm)

w net,fin,lim (mm)

Imin (mm )

type de bois

Section retenue bxh (mmxmm)

Faitage lucarne

6750

27,0

8,75E+08

GL28H

180

388

100

Noue lucarne

34000

136,0

1,44E+08

GL28H

100

260

99


32000

128,0

2,13E+10

GL28H

380

880

99

Arbalétrier fermes écuries

12500

50,0

2,18E+08

GL28H

200

237

98

Pannelette manège

6000

24,0

6,60E+07

GL24H

120

188

99


6000

24,0

5,24E+07

GL24H

120

175

98

Pannelette écurie

5200

20,8

3,98E+07

GL24H

120

159

99

Faitage toiture

7500

30,0

1,18E+09

GL28H

200

415

99

Rive toiture

7500

15,0

1,97E+09

GL28H

200

490

100


7500

30,0

3,31E+09

GL28H

280

525

98


7500

15,0

3,31E+09

GL28H

280

522

100

Sommier coursive

7500

30,0

7,38E+08

GL28H

200

355

99

Solivage coursive

2500

10,0

1,43E+07

GL24H

80

129

100

Panne toiture

3750

15,0

2,49E+07

GL24H

100

144

100

Solive plancher

3750

15,0

2,92E+07

GL24H

120

143

100

15000

60,0

7,83E+08

GL28H

200

362

99

15000

60,0

1,80E+08

GL28H

200

222

99

Hameau

Centre équestre

EC 5

membrure supérieure poutre treillis membrure inférieure poutre treillis

4

taux de travail (%)

Tableau 3-9: Sections de bois obtenues aux ELS selon l'EC5 Nom de l'élément

Leff (mm)

w net,fin,lim (mm)

Imin (mm )

type de bois


Faitage lucarne

6750

19,3

1,39E+09

GL28H

180

452

100

Noue lucarne

34000

97,1

2,78E+08

GL28H

100

322

100


32000

91,4

4,26E+10

GL28H

380

1105

100

Arbalétrier fermes écuries

12500

35,7

4,06E+08

GL28H

200

290

100

Pannelette manège

6000

17,1

1,32E+08

GL24H

120

236

100


6000

17,1

1,02E+08

GL24H

120

218

99

Pannelette écurie

5200

14,9

7,38E+07

GL24H

120

195

100

Faitage toiture

7500

21,4

1,38E+09

GL28H

200

437

99

Rive toiture

7500

15,0

1,66E+09

GL28H

200

465

99


7500

21,4

4,51E+09

GL28H

280

580

99


7500

15,0

3,22E+09

GL28H

280

518

99

Sommier coursive

7500

21,4

8,58E+08

GL28H

200

372

100

Solivage coursive

2500

7,1

1,66E+07

GL24H

80

136

99

Panne toiture

3750

10,7

2,92E+07

GL24H

100

152

100

Solive plancher

3750

10,7

3,97E+07

GL24H

120

159

99

15000

42,9

1,05E+09

GL28H

200

398

100

15000

42,9

2,44E+08

GL28H

200

245

99

Hameau

Centre équestre

SIA 265

membrure supérieure poutre treillis membrure inférieure poutre treillis

4

Tableau 3-10: Sections de bois obtenues aux ELS selon la SIA 265

45

taux de travail (%)


3.5.3.

Récapitulatif des résultats et analyse

Afin de comparer de manière plus précise les deux normes, voici un récapitulatif des résultats, référençant l’état limite dimensionnant et les différentes sections de bois obtenues suivant les normes. Section retenue bxh (mmxmm)

Hameau

Centre équestre

Nom de l'élément

EC 5

SIA 265

Etat limite dimensionnant

Volume de bois /ml (m3)

EC 5

SIA 265

EC 5

SIA 265

% bois supplémentaire selon la SIA

Faitage lucarne

180

388

180

452

ELS

ELS

0,07

0,08

14,2%

Noue lucarne

220

313

220

335

ELU

ELU

0,07

0,07

6,6%

Diagonales lucarnes

180

220

240

233

ELU

ELU

0,04

0,06

29,2%

Poteau steak house

160

160

169

169

ELU

ELU

0,03

0,03

10,4%


380

880

380

1105

ELS

ELS

0,33

0,42

20,4%


380

855

380

1000

ELU

ELU

0,32

0,38

14,5%

pied de poteau portique manège

380

255

380

400

ELU

ELU

0,10

0,15

36,3%


193

193

210

210

ELU

ELU

0,04

0,04

15,5%


200

325

240

305

ELU

ELU

0,07

0,07

11,2%

Pannelette manège

120

188

120

236

ELS

ELS

0,02

0,03

20,3%


120

175

120

218

ELS

ELS

0,02

0,03

19,7%

Pannelette écurie

120

159

120

195

ELS

ELS

0,02

0,02

18,5%

Faitage toiture

200

415

200

437

ELU

ELS

0,08

0,09

5,0%

Rive toiture

200

490

200

465

ELS

ELS

0,10

0,09

-5,4%


280

645

280

838

ELU

ELU

0,18

0,23

23,0%


280

522

280

518

ELS

ELS

0,15

0,15

-0,8%

Sommier coursive

200

355

200

372

ELS

ELS

0,07

0,07

4,6%

Solivage coursive

80

129

80

136

ELS

ELS

0,01

0,01

5,1%

Poteau

187

187

188

188

ELU

ELU

0,03

0,04

1,1%


200

293

200

315

ELU

ELU

0,06

0,06

7,0%

Panne toiture

100

144

100

152

ELS

ELS

0,01

0,02

5,3%

Solive plancher

120

216

120

212

ELU

ELU

0,03

0,03

-1,9%

200

362

200

398

ELS

ELS

0,07

0,08

9,0%

200

460

200

480

ELU

ELU

0,09

0,10

4,2%

200

300

200

320

ELU

ELU

0,06

0,06

6,3%


Tableau 3-11: Comparaison des sections de bois obtenues selon les deux règlements

Remarque : Les pourcentages positifs représentent une section plus importante selon la SIA 265 et inversement. Pour analyser les résultats, nous allons regrouper les éléments en différentes catégories : -

Toitures en pente > 15% (ensemble des éléments du centre équestre)

-

Toiture en pente < 15% (ensemble des éléments de la toiture du hameau)

-

Plancher (ensemble des éléments du plancher du hameau)

46


-

Coursive

En effet, pour ces catégories, les hypothèses et le calcul des sections sont relativement semblables. Voici les éléments expliquant le volume obtenu de bois supplémentaire selon la norme SIA 265. Remarque 1 : Uniquement dans le cas où nous sommes en présence d’éléments du second œuvre fragile, nous obtenons un volume de bois supplémentaire selon l’EC5. Cela est principalement dû à une flèche limite identique, mais à un coefficient de fluage plus faible selon la SIA. Remarque 2 : L’altitude minimum du territoire Suisse étant de 400m, et le projet étant situé à 130m, la valeur de la charge de neige selon la SIA 261 est une hypothèse de calcul. Cela explique certains pourcentages de volume de bois supérieurs selon la SIA 265. Toiture en pente > 15% -

Davantage de charges de neige selon la SIA 261, charge d’exploitation principale dans ce cas

-

L’absence de coefficient de sécurité pour les charges d’exploitation secondaires dans les combinaisons d’actions aux ELU selon la SIA 260, n’intervient pas, car ψ1 et ψ2 sont nuls dans le cas d’une toiture non accessible. L’absence de ces coefficients permet dans certains cas de compenser le surplus de charges.

-

La flèche admissible selon la SIA 265 aux ELS est plus contraignante qu’à l’EC 5 (w=L/350 selon la SIA 265 contre L/250 selon l’EC5) Il faut entre 6,6% et 29,2% de volume de bois en plus selon la SIA 265 avec une moyenne de 18%

Toiture en pente < 15% -

Davantage de charge d’entretien selon l’EC (0.8kN/m²) par rapport à la charge de neige dimensionnante selon la SIA 261.

-

L’absence de coefficient de sécurité pour les charges d’exploitation secondaires dans les combinaisons d’actions aux ELU selon la SIA 260, n’intervient pas, car ψ1 et ψ2 sont nuls dans le cas d’une toiture non accessible. L’absence de ces coefficients permet dans certains cas de compenser le surplus de charges.

-

La flèche admissible selon la SIA 265 aux ELS est plus faible qu’à l’EC 5. (w=L/350 selon la SIA 265 contre L/250 selon l’EC5)

-

Seul cas ou il y ait un volume de bois supérieur selon l’EC5 : une flèche admissible identique dans les cas où il y a la présence d’élément du second œuvre fragile et un coefficient de fluage plus faible selon la SIA Il faut entre -5% et 5% de volume de bois en plus selon la SIA 265

Plancher -

Davantage de charges utiles selon la SIA 260 par rapport à l’EC 0

-

L’absence de coefficient de sécurité pour les charges d’exploitation secondaires dans les combinaisons d’actions aux ELU selon la SIA 260, n’intervient pas, car il n’y pas de charge climatique. L’absence de ces coefficients permet dans certains cas de compenser le surplus de charges.

47


-

La flèche admissible selon la SIA 265 aux ELS est plus contraignante qu’à l’EC 5 (w=L/350 selon la SIA 265 contre L/250 selon l’EC5).

-

Seul cas où il y a un volume de bois supérieur selon l’EC5 : une flèche admissible identique dans les cas où il y a la présence d’élément du second œuvre fragile et un coefficient de fluage plus faible selon la SIA. Il faut entre -1,9% et 23% de volume de bois en plus selon la SIA 265 avec une moyenne de 6,6%

Coursives -

Davantage de charge utile selon l’EC 0 par rapport à la SIA 260.

-

La flèche admissible selon la SIA 265 aux ELS est beaucoup plus contraignante qu’à l’EC 5 (w=L/350 selon la SIA 265 contre L/250 selon l’EC5). Il faut entre 4,6% et 5,1% de volume de bois en plus selon la SIA 265 avec une moyenne de 4,9%

48


3.5.4.

Conclusion du premier projet

Afin de conclure sur ce projet et les différences entre les deux règlements, nous allons analyser les variations de cubage de bois.

Hameau

Centre équestre

EC5 Surface (m²)

Section (m²)

V 3 (m /m²)

SIA 265 V total (m3)

Section (m²)

V total (m3)

% de différence

0,08

8,05

14%

14,12

0,07

15,11

7%

0,04

2,40

0,06

3,38

29%

Nom de l'élément

L (m)

Faitage lucarne

99

0,07

6,91

Noue lucarne

205

0,07

Diagonales lucarnes

60,5

V 3 (m /m²)

Poteau steak house

78,1

0,03

2,00

0,03

2,23

10%

Arbalétrier portique manège

678

0,33

223,50

0,40

271,17

18%

Poteau portique manège

269

0,21

56,73

0,27

71,55

21%


545

0,04

20,30

0,04

24,03

16%


589

0,07

38,29

0,07

43,11

11%

Pannelette manège

5418

0,02

122,23

0,03

153,44

20%


1889

0,02

39,67

0,03

49,42

20%

Pannelette écurie

2689

0,02

51,31

0,02

62,92

18%

Faitage toiture

382

0,08

31,71

0,09

33,39

5%

Rive toiture

537

0,10

52,63

0,09

49,94

-5%


205

0,18

37,02

0,23

48,10

23%


537

0,15

78,49

0,15

77,89

-1%

Sommier coursive

620

0,07

44,02

0,07

46,13

5%

15,96

5%

Solivage coursive

1467

0,01

15,14

0,01

Poteau

240

0,03

8,39

0,04

8,48

1%


26

0,06

1,52

0,06

1,64

7%

Panne toiture

4725

0,01

68,04

0,02

71,82

5%

Solive plancher

3209

0,03

83,18

0,03

81,64

-2%


7510

0,07

543,72

0,08

597,80

9%

7500

0,09

690,00

0,10

720,00

4%

5360

0,06

321,60

0,06

343,04

6%

2800,24

9%

2552,91

Tableau 3-12: Comparaison du cubage de bois selon les deux règlements

Sur l’ensemble du projet, il est nécessaire d’avoir 9% de bois en plus selon la norme SIA 265. Concernant le hameau celui-ci possède une surface habitable d’environ 6500m² et il est nécessaire d’avoir 120m3 de bois en plus selon la norme SIA. En estimant le mètre cube de bois à 1200€/m3, cela représente une différence de 22€/m². Cela confirme les conclusions de la première partie, à savoir que les deux règlements sont relativement équivalents.

49


4. Cas d’un projet Suisse 4.1.

Présentation du projet

Durant ce second projet, j’ai travaillé sur la réalisation des nouveaux locaux de l’Association de la prévention de la torture situés sur la place des Nations à Genève. Comme on peut le voir sur la vue 3D et sur la photo suivante, ce bâtiment se compose de deux blocs principaux. -

Le premier bâtiment (RDC), est réalisé en ossature bois

-

Le second (R+1), possède une structure en poutre treillis travaillant comme un pont. En effet, celui-ci repose d’un côté sur une « culée » en béton, et de l’autre sur deux poteaux en bois. Les façades seront entièrement vitrées sur ce bâtiment.

Figure 4.1: Nouveaux locaux de l'APT

Figure 4.2: Modélisation 3D des nouveaux locaux de l'APT

50


Les principaux intervenants du projet sont les suivants : -

Maître d’ouvrage :

l’Association de la Prévention de la Torture, à savoir l’APT

-

Architecte :

-

Bureau d’études bois et coordination des travaux :

GM Architectes Charpente Concept

Le début des travaux devant commencer à la fin de l’été, j’ai travaillé durant la phase d’exécution sur ce projet.

4.2. 4.2.1.

Définition des charges selon l’Eurocode 1 et la SIA 261 Les charges de neige :

Voici les hypothèses retenues afin de calculer les charges de neige selon l’EC1 et la SIA 261. Ces valeurs sont calculées selon les formules du paragraphe 2.3.1.2 et les feuilles de calculs permettant de calculer les charges sont présentées en annexe 15 : -

Altitude : 450m

-

Coefficient de toiture μ=0,8 (pente inférieure à 30°)

-

Zone C2

-

Coefficient d’exposition Ce=1,2 (protégé par des arbres)

-

Valeur caractéristique

Sk=0,9 kN/m² selon l’Eurocode 1 Sk=1,06 kN/m² selon la SIA 261

Nous obtenons les charges suivantes :

qk,n=0,86 kN/m² selon l’EC1. qk,n=1,02kN/m² selon la SIA 261.

Contrairement au projet du Chambord Country Club, le site de l’APT est frontalier aux deux pays. Cette comparaison est donc plus pertinente, et on peut d’ailleurs observer une baisse de différence entre les valeurs de charges de neige. 4.2.2.

Les charges de vent :

Voici les hypothèses retenues afin de calculer les charges de vent selon l’EC1 et la SIA 261. Ces valeurs sont calculées selon les formules du paragraphe 2.3.1.3 et les feuilles de calculs permettant de calculer les charges sont présentées en annexe 15 : - Hauteur du bâtiment : 6,8m - Zone : Zone 1 (frontalier à la suisse côté français) selon l’EC1 - Catégorie de terrain : IIIa selon l’EC1 III selon la SIA 261 - C0=1 - qp0=0,9 (région à basse altitude) selon la SIA 261 Nous obtenons les charges suivantes :

51

qp=0,48 kN/m² selon l’EC1. qp=0,82kN/m² selon la SIA 261.


A ces valeurs, vient s’appliquer le coefficient Cp net = Cpe-Cpi. Cpe étant le coefficient de pression extérieure et Cpi le coefficient de pression intérieure. Ces valeurs de coefficient sont détaillées en annexe 13.

Bâtiment inférieur

Bâtiment supérieur

Vent 1

Vent 2

WSIA 261 (kN/m²)

WEC1 (kN/m²)

WSIA 261 (kN/m²)

WEC1 (kN/m²)

-0,576

% de différence 73,5

+0,581

+0,336

% de différence 42,2

Long pan 1

-0,332

Long pan 2

-0,332

-0,576

73,5

-0,291

-0,144

102,1

Pignon 1

+0,498

+0,336

32,5

-0,498

-0,576

15,7

Pignon 2

-0,415

-0,144

188,2

-0,498

-0,576

15,7

Toiture

-0,498

-0,336

48,2

-0,498

-0,336

48,2

Plancher

-0,207

-0,336

62,3

-0,249

-0,336

34,9

Long pan 1

+0,664

+0,336

49,4

-0,415

-0,576

38,8

Long pan 2

-0,332

-0,144

130,6

-0,415

-0,576

38,8

Pignon 1

-0,498

-0,576

15,7

+0,664

+0,336

49,4

Pignon 2

-0,498

-0,576

15,7

-0,332

-0,144

130,6

Toiture

-0,498

-0,336

48,2

-0,498

-0,336

48,2

Tableau 4-1: Comparaison des charges de vents selon la SIA 261 et l'EC1

Remarque 1 : Les valeurs négatives représentent les dépressions et les valeurs positives, les pressions. Remarque 2 : Le contreventement est réalisé par les murs en ossature bois pour le bâtiment inférieur. Pour le bâtiment supérieur, des murs KLH (bois massif) reliant le bâtiment aux fondations, ainsi que l’appui en béton armé à l’entrée permettent le contreventement. Remarque 3 : De nombreux coefficients de pression différents sont à appliquer sur une même toiture en fonction de la zone de toit étudiée. Pour simplifier l’étude, nous avons considéré les valeurs les plus défavorables, réparties de manière majoritaire sur la toiture. 4.2.3.

Le poids propre des éléments et les charges d’exploitation

L’ensemble des compositions de parois (toiture, plancher) est répertorié en annexe 14 et les charges d’exploitation en annexe 1. Concernant les charges d’exploitation pour les toitures, les charges utiles d’entretien ne s’additionnent pas avec les charges climatiques pour le cas de la toiture non accessible. Les charges obtenues sont les suivantes :

52


Toiture terrasse accessible (bâtiment inférieur) Toiture entre étages (bâtiment inférieur) Plancher de bureau (bâtiment supérieur) Toiture plate non accessible (bâtiment supérieur)

Gk,sup (kN/m²)

Gk,inf (kN/m²)

Q selon l’EC1

Q selon la SIA 261

% de différence pour Q

2,62

2,24

3,5 kN/m²

3,0 kN/m²

14,3

1,15

0,64

0,4 kN/m²

0,4 kN/m²

0

1,25

0,47

2,5 kN/m²

3,0 kN/m²

16,7

1,35

0,75

0,8 kN/m²

0,4 kN/m²

50

Tableau 4-2: Comparaison des charges permanentes et utiles selon la SIA 261 et l'EC1

4.3.


4.3.1.

Les combinaisons d’actions aux ELU (Etats Limites Ultimes)

Les combinaisons d’actions sont définies dans le paragraphe 2.3.2.1 pour l’Eurocode 0 et dans le paragraphe 2.3.2.2 pour la SIA 260. Les valeurs des coefficients de pondération sont présentées dans l’annexe 4. Dans notre cas nous obtenons, les coefficients suivants : φ0,Gi= 1,35 ou 1 (charge variable principale, selon l’EC0 et la SIA 260) φ0,Qi= 1,5 ou 0 (charge variable principale, selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ0,W= 0,6 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ0,S= 0,5 (selon l’EC0) ; Ψ0,S= 0,9 (selon la SIA 260) Ψ0,CU,plancher= 0,7 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ0,CU,toiture plate= 0 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ0,CU,toiture terrasse= 0,7 (selon l’EC0 et la SIA 260) Nous obtenons ainsi les combinaisons suivantes : Selon l’EC0 :

1,35 Gsup + 1,5 S + 0,9 W+ + 1,05 Q 1,35 Gsup + 0,75 S + 1,5 W+ + 1,05 Q 1,35 Gsup + 0,75 S + 0,9 W+ + 1,5 Q Ginf + 1,5 W-


Remarque : Pour les combinaisons d’actions, la charge utile (charge d’entretien) ne s’additionne pas avec les charges climatiques dans le cas de la toiture plate. Selon la SIA 260 : 1,35 Gsup + 1,5 S + 0,6 W+ + 0,7 Q 1,35 Gsup + 0,9 S + 1,5 W+ + 0,7 Q 1,35 Gsup + 0,9 S + 0,6 W+ + 1,5 Q 0,8 Ginf + 1,5 W-

53



Combinaisons aux ELU

Toiture terrasse accessible Toiture entre étages Plancher de bureau Toiture plate non accessible

Charge (kN/m²) selon l'EC0 9,43 2,15 5,43 3,12

Charge (kN/m²) selon la SIA 260 8,90 2,15 6,18 3,63

% de différence 5,1 0,0 12,1 13,9

Tableau 4-3:Tableau comparatif des combinaisons de charge au ELU

4.3.2.

Les combinaisons d’actions aux ELS (Etats Limites de Services)

Les combinaisons d’actions sont définies dans le paragraphe 2.3.2.1 pour l’Eurocode 0 et dans le paragraphe 2.3.2.2 pour la SIA 260. Les valeurs des coefficients de pondération sont présentées dans l’annexe 4. Dans notre cas nous obtenons, les coefficients sont les suivants : k def = 0,8 (selon l’EC5) ; φ = 0,6 (selon la SIA 265) pour le bois protégé des intempéries, ce qui est le cas des bâtiments étudiés. Ψ1,W= 0,2 (selon l’EC0) ; Ψ1,W= 0,5 (selon la SIA 260) Ψ1,S= 0,2 (selon l’EC0) ; Ψ1,S= 0,45 (selon la SIA 260) Ψ1,CU,plancher= 0,5 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ1,CU,toiture plate= 0 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ1,CU,toiture terrasse= 0,5 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ2,W= 0 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ2,N= 0 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ2,CU,plancher= 0,3 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ2,CU,toiture plate= 0 (selon l’EC0 et la SIA 260) Ψ2,CU,toiture terrasse= 0,3 (selon l’EC0 et la SIA 260) Nous obtenons ainsi les combinaisons suivantes : Selon l’EC0 : Caractéristiques



Fréquentes

1,8 Gsup + 0,74 Q 1,8 Gsup + 0,3 Q + 0,2 W+ 1,8 Gsup + 0,3 Q + 0,2 S Ginf + W-


Quasi permanentes 1,8 Gsup + 0,54Q Remarque : Pour les combinaisons d’actions, la charge utile (charge d’entretien) ne s’additionne pas avec les charges climatiques dans le cas des toitures. Selon la SIA 260 : Caractéristiques

54

1,6 Gsup + 1,18 Q + 0,6 W+ + 0,9 S 1,6 Gsup + 0,88 Q + W+ + 0,9 S 1,6 Gsup + 0,88 Q + 0,6 W+ + S

charge utile prédominante vent prédominant neige prédominante


Fréquentes

Ginf + W-

soulèvement prédominant

1,6 Gsup + 0,68 Q 1,6 Gsup + 0,3 Q + 0,5 W+ 1,6 Gsup + 0,3 Q + 0,9 S Ginf + W-


Quasi permanentes 1,8 Gsup + 0,48 Q Combinaisons aux ELS caractéristiques

Toiture terrasse accessible Toiture entre étage plancher toiture plate



% de différence 8,9 9,9 3,4 8,0

Tableau 4-4: Tableau comparatif des combinaisons de charge au ELS caractéristique (EC0) et rare (SI260)

Combinaisons aux ELS fréquentes toiture terrasse

Toiture entre étage plancher toiture plate



% de différence 14,7 10,7 1,5 5,5

Tableau 4-5: Tableau comparatif des combinaisons de charge au ELS fréquent

Combinaisons aux ELS quasi permanentes toiture terrasse

Toiture entre étage plancher toiture plate



% de différence 14,7 11,1 4,4 17,8

Tableau 4-6: Tableau comparatif des combinaisons de charge au ELS quasi permanent

L’ensemble des charges est relativement semblable selon les deux règlements. On peut noter que les charges de toiture terrasse sont plus élevées selon l’Eurocode, cela est dû au fait que les charges dimentionnantes sont les charges utiles et celles-ci sont plus importantes selon l’EC0 (3,5kN/m² pour l’EC0 contre 3kN/m² pour la SIA 260).

4.4. 4.4.1.

Vérification des sections aux ELU et ELS Vérification des sections aux ELU (Etats Limites Ultimes)

Tous les éléments de bois ont été vérifiés selon l’Eurocode 5 et la SIA 265. Une modélisation du bâtiment supérieur a été réalisée par l’intermédiaire du logiciel de calcul CUBUS dans le but de calculer les sollicitations et les déformations. Pour les autres éléments de bois, un calcul manuel ou une modélisation partielle sous CUBUS ont été suffisants. Durant la conception et la modélisation du système CUBUS, un travail de réflexion est à réaliser concernant les assemblages. En effet, en construction bois, il est possible de réaliser différents types d’assemblage, comme illustré dans le paragraphe 4.5.1 :

55


-

Encastrement, avec le procédé de type scellée Ferwood pour la Suisse ou Résix pour la France

-

Rotule, assemblage classique ou avec des tôles en acier

-

Appuis glissants

-

…

Il est important de bien définir les types d’assemblage sur la modélisation afin de faire travailler davantage certains éléments. Le second enjeu est de concevoir l’assemblage en respectant les hypothèses de modélisation. En effet, un appui glissant a dû être réalisé pour éviter d’avoir un effort horizontal trop important sur l’appui en béton armé.

Appui glissant

Figure 4.3: Modélisation du bâtiment supérieur de l'APT sur le logiciel de calcul CUBUS

Les plans en annexe 11 et 12 réfèrent la position de l’ensemble des éléments dimensionnés. Les feuilles de calculs permettant de vérifier l’ensemble des sections sont présentées en annexe 16. Remarque : La structure porteuse des toitures et des planchers est réalisée par l’intermédiaire de caisson Lignatur, dont le fabricant donne directement les valeurs de contraintes résistantes selon la SIA 265. Dans le cadre de l’étude, on remplacera ces caissons par des solives pour les planchers et des pannes pour les toitures. L’ensemble des éléments en bois sont de classe 2 (bois sous abris sauf durant la phase chantier). Ils sont soumis à un chargement à moyen terme (neige < 1000m d’altitude, le vent n’étant pas dimensionnant) et sont de sections rectangulaires en bois lamellé collé. Les coefficients sont donc les suivants : kmod=0.8 (EC 5) km=0.7 (EC 5) γM=1.25 (EC 5) ηW=1 (SIA 265) ηt=1 (SIA 265) γM/ηm=1.5 (SIA 265) Dans les tableaux suivants sont référencés les sollicitations, le type de bois et la section retenue de chaque élément :

56

Rapport de Projet de Fin d’Etudes – Charpente Concept – INSA Strasbourg – Septembre 2011 – Etienne DAELMAN – 5ème année Spécialité Génie Civil Nom de l'élément

Leff (mm)

Nx,d (kN)

Vz,d (kN)

My,d (kN.m)

type de bois

Membrure de treillis supérieure

4600

+514,7/-478,6

25,2

26,1

GL28H

240

296

100

Membrure de treillis inférieure

4600

+485,0/-244,0

49,7

57,6

GL28H

240

358

99

Diagonales treillis

3630

+395,5/-450,7

5,5

7,2

GL28H

212

212

99

Poteau, Appuis du bâtiment

2940

517,2

0

0

GL28H

189

189

100

Sommier de chevêtre N°1

4600

0

7,5

8,62

GL28H

140

144

99


2545

0

26,7

14,51

GL28H

140

187

99


4070

0

5,16

6,55

GL28H

120

136

99

Panne toiture plate

7140

0

6,35

11,34

GL24H

100

211

99

Solive plancher bureau

7140

0

11,1

19,7

GL24H

120

255

98

3760

0

64,1

40,8

GL28H

140

336

99

3875

0

32,7

33,7

GL28H

140

284

100

Linteau de fênetre

1920

0

14,7

7,05

GL24H

100

167

99


4515

0

4,92

5,15

GL28H

100

132

99


3610

0

2,72

3,46

GL28H

100

106

100


4260

0

2,74

7,84

GL28H

100

163

99


1280

0

4,64

1,33

GL28H

60

87

98

Panne toiture terrasse

3900

0

12,25

6,92

GL24H

100

165

99

Panne toiture entre étage

4880

0

3

3,66

GL24H

100

120

99



Eurocode 5

Sommier supportant la terrasse N°1 Sommier supportant la terrasse N°2

section bxh (mmxmm)

taux de travail (%)

Tableau 4-7: Sections de bois obtenues aux ELU selon l'EC5 Nom de l'élément

Leff (mm)

Nx,d (kN)

Vz,d (kN)

My,d (kN.m)

type de bois


4600

+572,6/-539,0

26,7

26,9

GL28H

240

282

99


4600

+537,6/-273,8

55,5

64,24

GL28H

240

379

100

Diagonales treillis

3630

+443,0/-506,0

26,7

7,7

GL28H

217

217

99


2940

578,6

0

0

GL28H

203

203

100


4600

0

8,51

9,79

GL28H

140

144

99


2545

0

27,2

15,15

GL28H

140

179

100


4070

0

5,85

7,44

GL28H

120

135

100

Panne toiture plate

7140

0

7,4

13,2

GL24H

100

213

99


7140

0

12,6

22,4

GL24H

120

254

100

3760

0

60,4

38,5

GL28H

140

360

100

3875

0

32

30,9

GL28H

140

257

100

Linteau de fênetre

1920

0

13,8

6,6

GL24H

100

150

100


4515

0

4,92

5,15

GL28H

100

123

100


3610

0

2,72

3,46

GL28H

100

101

100


4260

0

2,74

7,84

GL28H

100

153

99


1280

0

4,64

1,33

GL28H

60

81

100


3900

0

11,56

6,54

GL24H

100

150

99


4880

0

3

3,66

GL24H

100

112

99



SIA 265


Tableau 4-8: Sections de bois obtenues aux ELU selon la SIA265

57

section bxh (mmxmm)

taux de travail (%)


Remarque : Les éléments de bois ayant un effort normal positif sont soumis à de la traction, et inversement. 4.4.2.

Vérification des sections aux ELS (Etats Limites de Services)

La vérification aux ELS a consisté à vérifier les flèches de la manière suivante : -

Vérification de l’aptitude au fonctionnement et de la durabilité de l’ouvrage, à savoir : L/350 selon la SIA 265 L/250 selon l’EC 5

-

Vérification de l’aptitude au fonctionnement avec des éléments du second œuvre fragile, à savoir les éléments du treillis et le linteau de fenêtre. L/500 selon la SIA 265 et l’EC 5

Les sollicitations ont été calculées à partir de la combinaison d’actions caractéristiques. Les résultats obtenus sont répertoriés dans les tableaux suivants :

58




Eurocode 5

Nom de l'élément

Leff (mm)

w net,fin,lim (mm)

treillis

26400

52,8


4600

18,4

7,83E+07

GL28H

140

189

99


2545

10,2

6,53E+07

GL28H

140

178

99


4070

16,3

4,02E+07

GL24H

140

151

100

Panne toiture plate

7140

28,6

2,24E+08

GL24H

100

300

99


7140

28,6

3,12E+08

GL24H

120

315

100

3760

15,0

1,94E+08

GL28H

140

256

99

3875

15,5

2,56E+08

GL28H

140

280

100

Linteau de fênetre

1920

3,8

6,46E+07

GL28H

160

170

99


4515

18,1

5,54E+07

GL28H

140

168

100


3610

14,4

2,69E+07

GL28H

120

139

100


4260

17,0

3,13E+07

GL28H

140

139

100


1280

5,1

7,76E+07

GL28H

140

188

100


3900

15,6

5,16E+07

GL24H

100

184

99


4880

19,5

4,76E+07

GL24H

100

179

100


4

Imin (mm )

type de bois


GL28H

taux de travail (%) 46

Tableau 4-9: Sections de bois obtenues aux ELS selon l'EC5



SIA 265

Nom de l'élément

Leff (mm)

w net,fin,lim (mm)

Imin (mm )

type de bois

treillis

26400

52,8

0,00E+00

GL28H


4600

13,1

1,13E+08

GL28H

140

213

100


2545

7,3

9,25E+07

GL28H

140

200

99


4070

11,6

5,19E+07

GL24H

140

165

99

Panne toiture plate

7140

20,4

2,89E+08

GL24H

100

326

100


7140

20,4

4,52E+08

GL24H

120

356

100

3760

10,7

2,48E+08

GL28H

140

278

99

3875

11,1

3,27E+08

GL28H

140

305

99

Linteau de fênetre

1920

3,8

5,86E+07

GL28H

160

164

100


4515

12,9

7,02E+07

GL28H

140

182

100


3610

10,3

3,40E+07

GL28H

120

151

99


4260

12,2

3,96E+07

GL28H

140

151

99


1280

3,7

9,86E+07

GL28H

140

204

100


3900

11,1

6,59E+07

GL24H

100

200

99


4880

13,9

6,02E+07

GL24H

100

194

99


4


taux de travail (%) 48

Tableau 4-10: Sections de bois obtenues aux ELS selon la SIA 265

4.4.3.

Récapitulatif des résultats et analyses

Afin de comparer de manière plus précise les deux normes, voici un récapitulatif des résultats, référençant l’état limite dimensionnant et les différentes sections de bois obtenues suivant les normes.

59

Rapport de Projet de Fin d’Etudes – Charpente Concept – INSA Strasbourg – Septembre 2011 – Etienne DAELMAN – 5ème année Spécialité Génie Civil Section retenue bxh (mmxmm)



Nom de l'élément

EC 5

SIA 265

Etat limite

Volume de bois /ml (m3)

EC 5

SIA 265

EC 5

SIA 265

% bois supplémentaire selon la SIA


240

296

240

282

ELU

ELU

0,07

0,07

-4,7%


240

358

240

379

ELU

ELU

0,09

0,09

5,5%

Diagonales treillis

212

212

217

217

ELU

ELU

0,04

0,05

4,6%


189

189

203

203

ELU

ELU

0,04

0,04

13,3%


140

189

140

213

ELS

ELS

0,03

0,03

11,3%


140

187

140

200

ELU

ELS

0,03

0,03

6,5%


140

151

140

165

ELS

ELS

0,02

0,02

8,5%

Panne toiture plate

100

300

100

326

ELS

ELS

0,03

0,03

8,0%


120

315

120

356

ELS

ELS

0,04

0,04

11,5%

Sommier supportant la terrasse N°1

140

336

140

360

ELU

ELU

0,05

0,05

6,7%

Sommier supportant la terrasse N°2

140

284

140

305

ELU

ELS

0,04

0,04

6,9%

Linteau de fênetre

160

170

160

164

ELS

ELS

0,03

0,03

-3,5%


140

168

140

182

ELS

ELS

0,02

0,03

7,7%


120

139

120

151

ELS

ELS

0,02

0,02

7,9%


100

163

140

151

ELU

ELS

0,02

0,02

22,9%


140

188

140

204

ELS

ELS

0,03

0,03

7,8%


100

184

100

200

ELS

ELS

0,02

0,02

8,0%


100

179

100

194

ELS

ELS

0,02

0,02

7,7%

Tableau 4-11: Comparaison des sections de bois obtenues selon les deux règlements

Remarque : Les pourcentages positifs représentent une section plus importante selon la SIA 265 et inversement. L’ensemble des éléments sont en bois lamellé collé, les dimensions des sections sont des multiples de 40 mm. Cependant, pour analyser uniquement les normes, sans prendre en compte les contraintes de fabrication, nous n’avons pas tenue compte de ce multiple pour les dimensions des sections. En effet, nous avons retenu la section optimale afin de faire travailler l’élément à 100%. Afin d’analyser les résultats, nous les avons regroupés en différentes catégories : -

Toitures terrasse (Sommier supportant la terrasse au bâtiment inférieur) Prolongement de la toiture du bâtiment inférieur sous le bâtiment supérieur « Toiture entre étages » (Sommier de chevêtre du bâtiment inférieur) Plancher (Sommier de chevêtre et membrure basse du treillis du bâtiment supérieur) Toiture non accessible (Membrure supérieure et diagonales de treillis du bâtiment supérieur)

En effet, pour ces catégories, les hypothèses et le calcul des sections sont relativement semblables. Voici les éléments expliquant le volume obtenu de bois supplémentaire selon la norme SIA 265. Toiture terrasse -

60

Un coefficient de fluage supérieur selon l’EC5, impliquant des charges plus importantes (défavorable)


-

Davantage de charges de neige selon la SIA 261, mais plus de charge d’exploitation selon l’EC1 avec au final des combinaisons d’actions donnant une charge plus importante selon l’EC0 (aux ELU et ELS).

-

Dimensionnement à l’ELS : La flèche limite plus contraignante selon la SIA 265 (w=L/350 contre L/250 pour l’EC5) compense le surplus de charge selon l’EC5 et implique une section de bois plus importante selon la SIA 265 Entre 6,9% et 8% de bois en plus selon la SIA 265 avec une moyenne de 7,2%

Prolongement de la toiture du bâtiment inférieur sous le bâtiment supérieur -


-

Même charges selon les deux règlements (absence de charge climatique et d’exploitation)

-

Dimensionnement à l’ELS: La flèche limite plus contraignante selon la SIA 265 (w=L/350 contre L/250 pour l’EC5) compense le coefficient de fluage supérieur selon l’EC5 et implique une section de bois plus importante selon la SIA 265 Il faut entre 7,7% et 22,9% de volume de bois en plus selon la SIA 265 avec une moyenne de 10,8%

Plancher -


-

Des charges d’exploitation supérieure à la SIA

-

Dimensionnement à l’ELS : La flèche limite plus contraignante selon la SIA 265 (w=L/350 contre L/250 pour l’EC5) implique une section de bois plus importante selon la SIA 265 Il faut entre 6,5% et 11,3% de volume de bois en plus selon la SIA 265 avec une moyenne de 9,45%

Toiture non accessible -

Plus de charges de neige selon la SIA 261 (dimensionnantes et non cumulables avec les charges d’entretient)

-


-

ELS dimensionnant : La flèche limite est la même pour les deux règlements (L/500 avec présence de second œuvre fragile). C’est donc la charge de neige plus importante qui implique une section de bois plus importante selon la SIA 265 Il faut entre -4,7% et 8% de volume de bois en plus selon la SIA 265 avec une moyenne de 3,3%

61


4.4.4.

Conclusion du second projet

Afin de conclure sur ce projet et les différences entre les deux règlements, nous allons analyser les variations de cubage de bois.



EC5 Surface (m²)

Section (m²)

V 3 (m /m²)

SIA 265 V total (m3)

Section (m²)

V total (m3)

% de différence

0,07

5,83

-5%

6,36

0,09

6,73

6%

0,04

6,07

0,05

6,36

5%

5,88

0,04

0,21

0,04

0,24

13%


4,60

0,03

0,12

0,03

0,14

11%


2,55

0,03

0,07

0,03

0,07

6%


4,10

0,02

0,09

0,02

0,09

8%

Nom de l'élément

L (m)


86,20

0,07

6,12


74,00

0,09

Diagonales treillis

135,00


3

V(m /m²)

Panne toiture plate

292,00

0,05

15,37

0,06

16,70

8%


241,00

0,07

15,98

0,07

18,06

12%


26,00

0,05

1,22

0,05

1,31

7%

9,10

0,04

0,36

0,04

0,39

7%

Linteau de fênetre

18,80

0,03

0,51

0,03

0,49

-4%


4,50

0,02

0,11

0,03

0,11

8%


3,60

0,02

0,06

0,02

0,07

8%


4,30

0,02

0,07

0,02

0,09

23%


1,30

0,03

0,03

0,03

0,04

8%


150,20

0,03

4,85

0,04

5,27

8%


63,60

0,03

2,00

0,03

2,16

8%

∑

59,60

∑

64,17

7%

Tableau 4-12: Comparaison du cubage de bois selon les deux règlements

Sur l’ensemble du projet, il est nécessaire d’avoir 7% de bois en plus selon la norme SIA 265. Ce bâtiment possède une surface habitable d’environ 390m² et il est nécessaire d’avoir 4,6m3 de bois en plus selon la norme SIA. En estimant le mètre cube de bois à 1200€/m 3, cela représente une différence de 14,1€/m². Cela confirme les conclusions précédentes, à savoir que les deux règlements sont relativement équivalents.

4.5.

Dimensionnement des assemblages

4.5.1. Les différents types d’assemblage Durant la phase d’exécution, l’ensemble des assemblages doivent être dimensionnés. Je vais répertorier les assemblages en trois catégories :

62


 Les assemblages par tiges scellées Celles-ci se composent, comme leurs noms l’indiquent, de tiges scellées dans le bois, avec une résine époxydique. Pour le projet de l’APT, l’ensemble du treillis est réalisé à partir de ce système de tige scellée avec le procédé Ferwood. Pour le transport et la fixation des éléments sur la structure béton, ces tiges sont parfois soudées à des ferrures spéciales en acier, dont le dimensionnement est réalisé selon la SIA 263 et l’EC3. A noter qu’en France, nous ne pouvons pas utiliser ce procédé car il n’existe pas d’avis technique, cependant il existe un procédé équivalent, nommé Résix ayant un avis technique. Figure 4.4: Tige scellées avec joint de  Les ferrures spéciales Celles-ci sont composées de tôle en acier, dimensionnées selon l’EC3 et la SIA263 et de connecteurs, à savoir des pointes (clous), des broches, des boulons, des vis ou des tires fonds, dimensionnées selon la SIA265 et l’EC5.

montage. Chantier du refuge du Gouter

Figure 4.5: Ferrure spéciale composée d'une tôle en âme avec broches et boulons. Chantier du refuge du Gouter

 Les ferrures classiques Ces ferrures classiques sont répertoriées dans des catalogues de fabricant, par exemple « SIMPSON ». On peut trouver des équerres, des sabots, des tôles en âme, des ancrages, des pieds de poteau, … . Ces catalogues donnent directement les types de connecteurs ainsi que leurs nombres, en fonction de la géométrie de l’élément de bois et de l’effort agissant dans l’assemblage. Dans le cas du projet de l’APT, nous avons utilisé des assemblages par tige scellées Ferwood pour le treillis du bâtiment supérieur et des ferrures classiques pour l’assemblage des sommiers de chevêtre. Seuls les connecteurs sont dimensionnés par les normes SIA 265 et Eurocode 5. Nous allons donc faire une comparaison du dimensionnement des connecteurs de ces ferrures classiques selon l’Eurocode 5 et la SIA 265. 4.5.2.

Dimensionnement des connecteurs selon la SIA 265 et l’EC5

L’ensemble des sommiers de chevêtres est assemblé par l’intermédiaire de tôle en âme SIMPSON. Cette ferrure est fixée à l’élément porteur par l’intermédiaire de clou et l’élément porté est fixée à cette tôle par des broches. Clous travaillant en cisaillement : Broches travaillant en cisaillement :

d=4mm l=50mm d=12mm Acier S235 Figure 4.6: Tôle en âme SIMPSON

63


4.5.2.1.

Selon l’EC5

 Les clous Les organes de fixations sont soumis à du simple cisaillement. Il existe donc 6 types de rupture possible illustrés sur la figure suivante :

Figure 4.7: Les différents modes de rupture pour le simple cisaillement

Il convient de calculer la valeur caractéristique de la capacité résistante d’assemblage par organe métallique pour les différents cas de rupture et garder la valeur la plus faible. Ces valeurs dépendent des caractéristiques suivantes : -

La valeur de résistance caractéristique en traction du clou est de fu=600MPa La longueur de pénétration dans le bois est de 47mm (lclou-etôle=50-3=47mm) Le diamètre du clou est de 4mm La masse volumique caractéristique du bois est de 380 kg/m3

On obtient une valeur caractéristique de la capacité résistante en cisaillement Fv,Rk=1,74kN Etant en présence d’un chargement à moyen terme, kmod=0.8, et le bois étant du lamellé collé, γM=1.25, on obtient une résistance de calcul : Fv,Rd=1,11kN L’effort étant dirigé perpendiculairement aux fibres, l’espacement entre les clous ainsi que les distances aux rives sont de 20mm (5d) et les distances aux extrémités sont de 40mm (10d).  Les broches Pour ce qui est des broches travaillant en cisaillement double, l’EC5 précise que le dimensionnement est identique à celui des boulons. Il existe 4 types de rupture possible illustrés sur la figure suivante :

Figure 4.8: Les différents modes de ruptures pour le double cisaillement

64


Il convient de calculer la valeur caractéristique de la capacité résistante d’assemblage par organe métallique pour les différents cas de rupture et garder la valeur la plus faible. Ces valeurs dépendent des caractéristiques suivantes : -

Diamètre des broches : 12mm Acier S235 Epaisseur de la tôle 9mm Epaisseur de bois de par et d’autre de la tôle, 70mm (bpoutre=140mm) Masse volumique caractéristique du bois est de 380 kg/m3

On obtient une valeur caractéristique de la capacité résistante en cisaillement Fv,Rk=12,3kN Etant en présence d’un chargement à moyen terme, kmod=0.8, et le bois étant du lamellé collé, γM=1.25, on obtient une résistance de calcul : Fv,Rd=15,8 kN L’effort étant dirigé perpendiculairement aux fibres, l’espacement entre les clous ainsi que les distances aux rives sont de 36mm (3d) et les distances aux extrémités sont de 84mm (7d).

4.5.2.2.

Selon la SIA 265

 Les clous Contrairement à l’Eurocode, la résistance au cisaillement des clous n’est pas calculée à partir des différents types de rupture, mais un tableau donne une formule permettant de calculer cette résistance en fonction du type d’assemblage (Bois/Bois ou Acier Bois) et de la direction de l’effort par rapport aux fibres. Les clous travaillent en cisaillement simple entre un élément en bois et un autre en acier. Je rappelle les caractéristiques des clous : - La valeur de résistance caractéristique en traction du clou est de fu=600MPa - La longueur de pénétration dans le bois est de 47mm (lclou-etôle=50-3=47mm) - Le diamètre du clou est de 4mm - La masse volumique caractéristique du bois est de 380 kg/m3 - Effort dirigé perpendiculairement aux fibres Les valeurs de la résistance au cisaillement Rd pour les clous (ηW=1,0 et ηt=1,0) est égale à : Fv,Rd=1,15*1,13=1,3 kN Remarque : le coefficient majorateur de 1,13 est appliqué car la longueur de pénétration est supérieure à 8d. L’effort étant dirigé perpendiculairement aux fibres, l’espacement entre les broches ainsi que les distances aux bords non chargés sont de 20mm (5d) et les distances aux bords chargés sont de 24mm (6d).

65


 Les broches Tout comme les clous, les différents types de ruptures n’interviennent pas dans la détermination de la résistance au cisaillement. Cette résistance dépend du type d’assemblage (Bois/Bois ou Acier Bois) et des épaisseurs de bois traversées par les broches. Dans notre cas, nous sommes en présence d’un assemblage Acier/Bois, en cisaillement double avec l’acier au centre. Je rappelle les caractéristiques de l’assemblage : -

Diamètre des broches : 12mm Acier S235 Epaisseur de la tôle 9mm Epaisseur de bois de par et d’autre de la tôle, 70mm (bpoutre=140mm) Masse volumique caractéristique du bois est de 380 kg/m3 Fv,Rd=12,9 kN

L’effort étant dirigé perpendiculairement aux fibres, l’espacement entre les broches ainsi que les distances aux bords non chargés sont de 36mm (3d) et les distances aux bords chargés sont de 48mm (4d). 4.5.2.3.

Nombre d’élément en fonction des sollicitations

Afin de connaitre le nombre de clous et de broches nécessaire, je rappelle les réactions d’appuis de chaque sommier de chevêtre aux ELU.

Sommier 1 – bât. bas Sommier 2 – bât. bas Sommier 3 – bât. bas Sommier 4 – bât. bas Sommier 1 – bât. haut Sommier 2 – bât. haut Sommier 3 – bât. haut

Rd selon la SIA (kN) 4,92 2,72 2,74 4,65 8,51 27,18 3,85

Rd selon l’Eurocode (kN) 4,92 2,72 2,74 4,65 7,50 26,68 5,16

Tableau 4-13: Réaction d'appuis des différents sommiers de chevêtre de l'APT

Afin de dimensionner l’assemblage, nous allons nous baser sur l’assemblage le plus chargé, à savoir le sommier 2 du bâtiment haut.  Selon la SIA 265 Nombres de clous : Nombres de broches :

27,18/1,3 = 21 clous minimum 27,18/12,9 = 3 broches minimum

Nous n’avons aucune limite de hauteur pour répartir les clous car l’élément porteur est un mur KLH. Cependant, pour répartir les broches sur l’élément porté, à savoir le sommier 2 du bâtiment haut, nous avons 200mm.

66


Voici un schéma définissant la répartition des clous et broches :

65mm > 48mm (4d) 4 lignes de 8 clous - Espacement horizontal : 25mm > 20mm (5d) -Espacement vertical : 25mm > 20mm (5d)

45mm > 36mm (3d) 200mm 45mm > 36mm (3d) 45mm > 36mm (3d)

Mur KLH

Vz,d=27kN

Figure 4.9: Disposition des connecteurs selon la SIA 265

Vérification avec le facteur de de réduction kred, du au nombre de connecteur aligné : - Nombre de rang de broche : 1 - Nombre de broche dans la direction de l’effort : 3 On obtient un kred = 0,84 Fv,Rd assemblage broches=12,9*1*(3*0,84)=32,5 kN > Vz,d=27kN -

Nombre de rang de clou : 4 Nombre de clou dans la direction de l’effort par rang : 8 Fv,Rd assemblage clous=1,3*4*80,84=29,8 kN > Vz,d=27kN Nous obtenons donc un assemblage avec 3 broches et 32 clous

 Selon l’EC 5 Nombres de clous : Nombres de broches :

26,68/1,11 = 28 clous minimum 26,68/15,8 = 2 broches minimum

Nous n’avons aucune limite de hauteur pour répartir les clous car l’élément porteur est un mur KLH. Cependant, pour répartir les broches sur l’élément porté, à savoir le sommier 2 du bâtiment haut, nous avons 190mm. Voici un schéma définissant la répartition des clous et broches :

4 lignes de 7 clous - Espacement horizontal : 25mm > 20mm (5d) -Espacement vertical : 25mm > 20mm (5d)

65mm > 48mm (4d) 90mm > 84mm (7d) 45mm > 36mm (3d) 190mm 50mm > 36mm (3d) 45mm > 36mm (3d) 50mm > 36mm (3d)

Mur KLH

Vz,d=26,68kN Figure 4.10: Disposition des connecteurs selon l'EC5

67


L’effort est perpendiculaire à la direction du fils du bois. Selon l’Eurocode 5, il n’y a aucun coefficient réducteur dans ce cas présent. Nous obtenons donc un assemblage composé de 2 broches et 28 clous.  Bilan Notamment pour les clous, la SIA 265 semblait avoir une résistance au cisaillement supérieure à celle de l’EC5. Cependant, dans le cas de charges perpendiculaires au fils du bois, un coefficient réducteur vient inverser cette première impression. Au final, que ce soit pour les broches ou les clous, il est nécessaire de mettre plus de connecteur selon la SIA 265. De plus, concernant les bases de la détermination de la valeur résistante au cisaillement, l’EC5 étudie tous les cas de rupture, contrairement à la SIA 265 qui considère une formule unique permettant de déterminer cette valeur de résistance.

4.6.

Réalisation des plans d’exécution et d’atelier

Une fois le dimensionnement terminé, il est nécessaire de réaliser l’ensemble des plans d’exécution et d’atelier.  Les treillis du bâtiment supérieur Le bâtiment supérieur arrive préfabriqué. Chaque treillis se compose de trois éléments fabriqués en atelier par un lamelliste. Celui-ci a besoin d’une modélisation 3D pour usiner l’ensemble de ses pièces de bois (cf. annexe 17), d’un plan de ferrure et d’une élévation avec la position des assemblages.  L’ossature du bâtiment inférieur Pour la préfabrication et la pose des panneaux à ossature bois des plans d’atelier et d’exécution ont du être réalisé  Les caissons de dalle Lignatur Afin d’usiner les caissons Lignatur et également permettre leurs mises en œuvre, des plans de dalle et des détails d’assemblage doivent être réalisés.  Les détails d’exécution De nombreux détails de conception sont également à réaliser pour la phase d’exécution.

68


Conclusion Ce projet, réalisé au sein du bureau d’études bois Charpente Concept, fut tout d’abord une très bonne expérience avant le début de ma vie professionnelle. En effet, celui-ci m’a permis de progresser, à la fois dans l’apprentissage des méthodes de travail d’un ingénieur, mais également, cœur de mon sujet, dans l’étude des règlements SIA et Eurocode concernant le dimensionnement des structures bois. L’organisation et les bases de calcul de ces deux règlements étant similaires, il fut possible de réaliser une étude comparative de ces deux règlements, du calcul des charges jusqu'à la vérification de la structure. Celle-ci fut basée sur une première étude théorique, présentée sous forme de graphiques, en fonction de certains paramètres. Les deux parties suivantes se basent sur des projets, à la fois Français et Suisse, calculés selon les deux règlements. Cette étude m’a permis de constater que le cheminement du calcul et les résultats obtenus sont relativement semblables. Certains coefficients (kmod, kdef, Ψ,…), certaines charges (neige, vent, charges utiles) et certaines flèches limites peuvent varier légèrement suivant les normes, mais dans la majorité des cas, nous obtenons des résultats similaires. Cependant, une limite de cette étude est l’importance de la situation géographique du projet, principalement dans le calcul des charges de neige. En effet, tout le territoire suisse possède une altitude supérieure ou égale à 400m. Dans l’étude du projet du Chambord Country club, nous étions à une altitude de 130m. Des hypothèses de calcul ont dû être réalisées, dans la valeur de la charge de neige selon la SIA 261. Cette charge étant généralement la charge d’exploitation principale (toiture non accessible), elle fut une des causes de l’obtention de sections de bois plus importantes selon la SIA. Dans la première partie du projet, à savoir l’étude théorique, et la troisième, l’étude du projet Suisse, nous étions en présence de zones géographiques frontalières, ce facteur ne fut donc pas influant. En effet, nous avons obtenu des sections de bois semblables. Un travail périphérique au dimensionnement des structures fut également réalisé durant ce projet. En effet, le travail de conception du Chambord Country Club, et la réalisation des plans d’exécutions et d’ateliers des nouveaux locaux de l’APT m’ont permis d’obtenir de nouvelles compétences dans le domaine de la construction bois.

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Bibliographie Yves BENOIT, Bernard LEGRAND, Vincent TASTET, Calcul des structures en bois, 2ème édition, Eyrolles (2009) Hans BANHOLZER, Christoph FUHRMANN, Urs LUGINBUHL, Adrian MISCHLER, Tables pour la construction en bois, Lignum, Zurich et le Mont-sur-Lausanne (2005) EUROCODE 5, Conception et calcul des structures en bois – Partie 1-1 : Généralités – Règles communes et règles pour les bâtiments, AFNOR (2005) EUROCODE STRUCTURAUX, bases de calcul des structures, AFNOR (2003) EUROCODE 1, Actions sur les structures – Partie 1-1 : Actions générales – Poids volumiques, poids propres, charges d’exploitation des bâtiments, AFNOR (2003) EUROCODE 1, Actions sur les structures – Partie 1-3 : Actions générales – Charges de neige, AFNOR (2003) EUROCODE 1, Actions sur les structures – Partie 1-4 : Actions générales – Charges de vent, AFNOR (2003) SIA 265, Construction bois, Société Suisses des Ingénieurs et Architectes (2003) SIA 260, Bases pour l’élaboration des projets de structures porteuses, Société Suisses des Ingénieurs et Architectes (2003) SIA 261, Actions sur les structures porteuses – Spécifications complémentaires, Société Suisses des Ingénieurs et Architectes (2003)

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Table des illustrations Table des figures Figure 1.1: Centre de loisir de Neydens ........................................................................................................................................................ 6 Figure 1.2: Palais de l'équilibre .................................................................................................................................................................... 6 Figure 1.3: Refuge du Gouter........................................................................................................................................................................ 6 Figure 1.4: Organigramme de Charpente Concept ....................................................................................................................................... 9 Figure 2.1: Tribune d'Andilly ...................................................................................................................................................................... 11 Figure 2.2: Charge de neige en fonction de l'altitude pour une pente de toit de 20° .................................................................................. 14 Figure 2.3: Charge de neige en fonction de la pente de toiture pour une altitude de 400m ........................................................................ 15 Figure 2.4 : Charge de vent en toiture à 2 versants de 30° en fonction de la hauteur de bâtiment en zone urbaine ................................... 17 Figure 2.5: Charge de vent en façade en fonction de la hauteur de bâtiment en zone urbaine ................................................................... 17 Figure 2.6: Charge de vent en toiture (2 versants à 30°) en fonction du type de terrain pour une hauteur de bâtiment de 20m ................ 18 Figure 2.7: Charge de vent en façade en fonction du type de terrain pour une hauteur de bâtiment de 20m ............................................. 18 Figure 2.8: Combinaison d'action aux ELU pour un plancher intérieur ..................................................................................................... 21 Figure 2.9: Combinaison d'action aux ELU pour une toiture en pente de 30° ............................................................................................ 22 Figure 2.10: Combinaison d'action aux ELS pour un plancher intérieur .................................................................................................... 23 Figure 2.11: Combinaison d'action aux ELS pour une toiture terrasse ...................................................................................................... 24 Figure 2.12: Combinaison d'action aux ELS pour une toiture terrasse, à une altitude de 400m ................................................................ 24 Figure 2.13: Définition de la flèche............................................................................................................................................................. 27 Figure 2.14: Section de bois nécessaire aux ELU ....................................................................................................................................... 31 Figure 2.15: Variation du taux de travail en fonction de la longueur efficace aux ELU ............................................................................. 32 Figure 2.16: Influence de la classe de chargement et la classe du bois sur le taux de travail aux ELU ..................................................... 33 Figure 3.1: Centre équestre du Chambord Country Club ........................................................................................................................... 36 Figure 3.2 : Hameau du Chambord Country Club ...................................................................................................................................... 36 Figure 4.1: Nouveaux locaux de l'APT ........................................................................................................................................................ 50 Figure 4.2: Modélisation 3D des nouveaux locaux de l'APT....................................................................................................................... 50 Figure 4.3: Modélisation du bâtiment supérieur de l'APT sur le logiciel de calcul CUBUS ....................................................................... 56 Figure 4.4: Tige scellées avec joint de montage. Chantier du refuge du Gouter ......................................................................................... 63 Figure 4.5: Ferrure spéciale composée d'une tôle en âme avec broches et boulons. Chantier du refuge du Gouter .................................. 63 Figure 4.6: Tôle en âme SIMPSON ............................................................................................................................................................. 63 Figure 4.7: Les différents modes de rupture pour le simple cisaillement .................................................................................................... 64 Figure 4.8: Les différents modes de ruptures pour le double cisaillement .................................................................................................. 64 Figure 4.9: Disposition des connecteurs selon la SIA 265 .......................................................................................................................... 67 Figure 4.10: Disposition des connecteurs selon l'EC5 ................................................................................................................................ 67

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Table des tableaux Tableau 2-1 : Equivalence des catégories de terrain ................................................................................................................................. 18 Tableau 2-2: Flèches admissibles selon l'EC5 .......................................................................................................................................... 27 Tableau 2-3: Flèches admissibles selon la SIA265 ................................................................................................................................... 30 Tableau 2-4: Comparaison des flèches admissibles selon l'EC5 et la SIA 265 ......................................................................................... 33 Tableau 3-1: Tableau comparatif des charges de vent .............................................................................................................................. 38 Tableau 3-2: Tableau comparatif des charges permanentes et utiles ........................................................................................................ 38 Tableau 3-3: Tableau comparatif des combinaisons de charge au ELU ................................................................................................... 39 Tableau 3-4: tableau comparatif des combinaison de charge aux ELS caractéristique (EC0) et rare (SIA260) ....................................... 41 Tableau 3-5: tableau comparatif des combinaisons de charge aux ELS fréquente ................................................................................... 41 Tableau 3-6:tableau comparatif des combinaisons de charge aux ELSquasi permanente ......................................................................... 41 Tableau 3-7: Sections de bois obtenues aux ELU selon l'EC5 ................................................................................................................. 43 Tableau 3-8: Sections de bois obtenues aux ELU selon la SIA 265 ......................................................................................................... 44 Tableau 3-9: Sections de bois obtenues aux ELS selon l'EC5 .................................................................................................................. 45 Tableau 3-10: Sections de bois obtenues aux ELS selon la SIA 265 ........................................................................................................ 45 Tableau 3-11: Comparaison des sections de bois obtenues selon les deux règlements ............................................................................. 46 Tableau 3-12: Comparaison du cubage de bois selon les deux règlements ............................................................................................... 49 Tableau 4-1: Comparaison des charges de vents selon la SIA 261 et l'EC1 ............................................................................................. 52 Tableau 4-2: Comparaison des charges permanentes et utiles selon la SIA 261 et l'EC1 ......................................................................... 53 Tableau 4-3:Tableau comparatif des combinaisons de charge au ELU .................................................................................................... 54 Tableau 4-4: Tableau comparatif des combinaisons de charge au ELS caractéristique (EC0) et rare (SI260) ......................................... 55 Tableau 4-5: Tableau comparatif des combinaisons de charge au ELS fréquent ...................................................................................... 55 Tableau 4-6: Tableau comparatif des combinaisons de charge au ELS quasi permanent ......................................................................... 55 Tableau 4-7: Sections de bois obtenues aux ELU selon l'EC5 ................................................................................................................. 57 Tableau 4-8: Sections de bois obtenues aux ELU selon la SIA265 .......................................................................................................... 57 Tableau 4-9: Sections de bois obtenues aux ELS selon l'EC5 .................................................................................................................. 59 Tableau 4-10: Sections de bois obtenues aux ELS selon la SIA 265 ........................................................................................................ 59 Tableau 4-11: Comparaison des sections de bois obtenues selon les deux règlements ............................................................................. 60 Tableau 4-12: Comparaison du cubage de bois selon les deux règlements ............................................................................................... 62 Tableau 4-13: Réaction d'appuis des différents sommiers de chevêtre de l'APT ...................................................................................... 66

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Table des annexes Annexe 1 : Valeurs des charges d’exploitation.................................................................................. 2 Annexe 2 : Calcul de la charge de neige, les coefficients ..................................................................4 Annexe 3 : Calcul de la charge de vent, les coefficients ....................................................................8 Annexe 4 : Coefficients des combinaisons d’action Ψ et ρ .............................................................. 11 Annexe 5 : Le fluage, coefficient kdef (EC5) ρ (SIA 265) et les classes de service du bois .............. 12 Annexe 6 : Contrainte limite du bois, les coefficients kmod et γM selon l’EC5..................................14 Annexe 7 : Contrainte limite du bois, les coefficients γM/ηM et ηW selon la SIA 265 ....................... 15 Annexe 8 : Plan du centre équestre .................................................................................................16 Annexe 9 : Plan du hameau .............................................................................................................18 Annexe 10 : Composition de toiture, projet Chambord Country Club ............................................20 Annexe 11 : Plan du bâtiment inférieur de l’APT............................................................................23 Annexe 12 : Plan du bâtiment Supérieur de l’APT ..........................................................................24 Annexe 13 : Coefficients de pression et charge de vent...................................................................25 Annexe 14 : Composition de dalle de l’APT (toiture et plancher) .................................................. 27 Annexe 15 : Feuille de calculs permettant de calculer les charges climatiques ............................. 29 Annexe 16 : Feuille de calculs permettant de vérifier les sections de bois .....................................31 Annexe 17 : Modélisation 3D du treillis de l’APT ...........................................................................35

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Memoire_PFE_GC5_EtienneDaelman Construction Métallique EUROCODES

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