Quelle structure métallique ?
En tant que technologie de pointe dans le domaine de la construction moderne, la structure en acier est aujourd’hui largement utilisée dans le monde entier. Ses avantages exceptionnels en font un élément indispensable des projets de construction. Des gratte-ciel qui dominent l’horizon des villes aux grands ponts qui enjambent les fleuves, les structures en acier sont omniprésentes et donnent à nos villes une solide épine dorsale.
Sa résistance et sa stabilité en font une barrière solide contre les catastrophes naturelles telles que le vent et les tremblements de terre, offrant ainsi des espaces de vie et de travail sûrs et fiables. En outre, la plasticité et la flexibilité exceptionnelles des structures en acier ont permis aux concepteurs de mettre leurs idées en pratique et de créer de nombreuses œuvres architecturales emblématiques.
Elle donne au bâtiment une impression de beauté des lignes et de la structure et raccourcit considérablement la période de construction, ce qui constitue une garantie solide pour l’avancement efficace du projet. Il n’est donc pas exagéré de dire que la structure en acier est devenue une force motrice essentielle dans le domaine de l’architecture moderne, offrant des possibilités de conception illimitées aux architectes et, dans le même temps, apportant des opportunités de développement sans précédent à la société.
Avantages des structures en acier
Les structures en acier sont devenues une partie intégrante de l’industrie moderne de la construction en raison de leur résistance et de leur stabilité exceptionnelles, ainsi que de leur flexibilité et de leur malléabilité remarquables. Doté d’un vaste espace de conception, il s’agit également d’un bâtiment plus sûr, plus stable et plus flexible.
Force et stabilité
La structure en acier se distingue par son excellente résistance et sa stabilité et est devenue l’un des matériaux préférés pour les projets de construction modernes. Face aux catastrophes naturelles, les structures en acier présentent une résistance inégalée au vent et aux tremblements de terre. Sa grande ténacité et sa capacité de charge permettent aux structures en acier de maintenir la stabilité des bâtiments dans des conditions extrêmes, protégeant ainsi la vie et les biens des personnes.
Flexibilité et malléabilité
a structure en acier possède une flexibilité et une plasticité fantastiques, ce qui lui permet de s’adapter à différentes exigences en matière de conception et de construction. Qu’il s’agisse d’un immeuble de grande hauteur, d’un pont, d’un stade ou d’une installation industrielle, les structures en acier peuvent répondre à différents scénarios dans des formes et des dimensions variées. Sa personnalisation et son adaptabilité permettent aux ingénieurs de trouver l’équilibre optimal entre créativité et praticité pour créer des œuvres architecturales aux caractéristiques uniques.
Grâce à une conception et une fabrication appropriées, l’acier peut être usiné dans différentes formes pour répondre aux besoins d’un projet particulier. Cette flexibilité fait de l’acier un matériau de construction efficace et apporte une liberté de conception sans précédent à l’industrie de la construction.
Types d'acier pour les structures en acier
L’acier utilisé dans les structures métalliques est généralement basé sur les besoins spécifiques du projet et les exigences de la conception, de sorte qu’il existe de nombreuses spécifications et de nombreux types différents. Vous trouverez ci-dessous quelques-unes des spécifications standard de l’acier de construction et leurs caractéristiques :
Acier de construction au carbone ordinaire : Q235, Q345 : Il s’agit des deux types d’acier de construction ordinaire au carbone. ordinaires au carbone ordinaires spécifiés dans la norme chinoise GB/T 700. Le Q235 est généralement utilisé pour les structures d’ingénierie générale, tandis que le Q345 a une résistance et une durabilité plus élevées et est généralement utilisé pour des projets plus exigeants.
Acier de construction allié : 20Cr, 40Cr, 65Mn : Ces aciers contiennent une certaine proportion d’éléments d’alliage pour améliorer leur résistance mécanique, leur dureté et leur résistance à l’usure. Ils conviennent à certains besoins d’ingénierie particuliers.
Acier de construction à haute résistance faiblement allié : Q420, Q460, Q550 : Dotés d’une résistance et d’une ténacité élevées, ils sont généralement utilisés pour les ponts de grande portée, les immeubles de grande hauteur et d’autres projets.
Acier résistant aux intempéries : L’acier Corten (ASTM A242, A588), qui présente une bonne résistance aux intempéries et qui est couramment utilisé dans les bâtiments et les ponts extérieurs, peut réduire les coûts d’entretien.
Acier inoxydable :304, 316 : Couramment utilisé dans des environnements uniques, tels que les environnements marins ou lorsque la résistance à la corrosion est requise.
Tôles d’acier laminées à chaud : SS400, A36 : généralement utilisées pour fabriquer des éléments de structure en acier, tels que des poutres et des colonnes.
Tôles d’acier laminées à froid : DC01, DC04 : Utilisées dans certains cas qui exigent une grande qualité de surface et une grande précision dimensionnelle.
Poutre en H, cornière, profilé : Il s’agit d’éléments de structure en acier standard utilisés pour ériger des cadres de construction et des structures de soutien.
Tuyaux : Tube d’acier soudé, tube d’acier sans soudure : couramment utilisé pour la tuyauterie, les roulements et d’autres pièces de la structure en acier.
Types de structures à cadre rigide en acier
Le cadre rigide en acier est une structure couramment utilisée dans les projets de construction et de pont, caractérisée par une rigidité et une stabilité élevées dans la direction horizontale. Voici quelques types courants de raidisseurs pour structures en acier :
Cadre rigide planaire (cadre rigide 2D)
Les raidisseurs planaires sont constitués de poutres horizontales et de colonnes verticales qui peuvent résister aux charges horizontales dans le plan (par exemple, les charges de vent ou les forces sismiques), mais ont une réponse plus faible aux charges dans la direction verticale. Les raidisseurs planaires conviennent à la plupart des structures de construction.
Cadre rigide spatial (cadre rigide 3D)
Le cadre spatial rigide se caractérise par une grande rigidité horizontale et verticale et peut résister à des charges dans toutes les directions. Il se compose de poutres horizontales, de colonnes verticales et de barres diagonales et est généralement utilisé pour les bâtiments de grande hauteur et les structures de grande portée.
Poutrelle
Une poutrelle est une structure composée de plusieurs tiges et est généralement utilisée dans des projets tels que les ponts et les viaducs de grande portée et les bâtiments nécessitant de grandes ouvertures.
Cadre rigide
Le cadre rigide est une structure en bois composée de poutres horizontales et de colonnes verticales, qui peut résister efficacement aux charges horizontales et verticales. Il est généralement utilisé dans les projets de construction qui nécessitent une stabilité et une rigidité élevées.
Structure du cadre
La structure du cadre combine des poutres, des colonnes et des contreventements latéraux pour assurer une stabilité et une rigidité élevées. Il est largement utilisé dans les bâtiments à plusieurs étages et les immeubles de grande hauteur.
Poutrelle géante
Le treillis géant est généralement utilisé dans les projets de construction ou de pont avec de grandes portées et peut fournir une excellente capacité de charge et une grande stabilité grâce à ses caractéristiques structurelles. Avantages des structures en acier
Portée et espacement des poteaux pour les bâtiments en acier
La longueur et la largeur d’un bâtiment en acier se réfèrent aux dimensions du bâtiment sur le plan. Parallèlement, la portée et l’espacement des colonnes sont deux paramètres dimensionnels importants qui jouent un rôle crucial dans la conception et la construction.
La portée
La portée fait référence à la distance horizontale d’un bâtiment ou d’une structure entre deux points de pivot (par exemple, des colonnes ou des murs). Dans les constructions métalliques, la portée est souvent utilisée pour décrire la longueur d’une poutre ou d’une ferme et peut également être utilisée pour décrire la taille de la travée principale d’un pont.
La portée a une incidence directe sur la stabilité et la capacité de charge de la structure.· Les grandes portées nécessitent des matériaux et une conception structurelle plus robustes, de sorte que la taille de la portée a un impact significatif sur le coût et la complexité du projet.
Espacement des colonnes
L’espacement des colonnes est la distance horizontale entre les centres de deux colonnes adjacentes à l’intérieur d’un bâtiment. Dans les bâtiments à structure métallique, la taille de l’espacement des poteaux affecte la disposition et l’utilisation de l’espace intérieur du bâtiment, ainsi que la stabilité et la capacité de charge de la structure.
Un réglage raisonnable de l’espacement des colonnes est essentiel pour garantir une utilisation raisonnable de l’espace à l’intérieur du bâtiment. Un espacement plus important entre les colonnes peut offrir une plus grande liberté spatiale, mais il aura également un impact sur la stabilité de la structure et doit donc être pris en compte dans le processus de conception.
Par exemple, si l’on considère la conception d’un entrepôt, sa longueur peut être exprimée comme la distance entre deux murs opposés, tandis que sa largeur peut être définie comme la distance entre deux colonnes adjacentes. De cette manière, le concepteur peut déterminer la portée et l’espacement des colonnes les plus appropriés en fonction des exigences fonctionnelles et structurelles attendues, ce qui permet d’obtenir une disposition optimale de l’espace intérieur du bâtiment.
Pente du toit
La pente du toit désigne le degré d’inclinaison ou l’angle entre la surface du toit et le plan horizontal. Il s’agit d’un paramètre essentiel de la conception architecturale, qui influe directement sur l’aspect de la toiture, ses performances en matière de drainage et sa stabilité en cas de catastrophes naturelles telles que la neige et la pluie.
La pente d’un toit est généralement exprimée en « /12 », c’est-à-dire le nombre de pieds d’élévation verticale par unité de distance horizontale. Par exemple, si l’on dit qu’un toit a une pente de « 4/12 », le toit s’élève verticalement d’un pied tout en avançant horizontalement de quatre pieds.
Voici quelques types de pentes de toit courantes
Toit plat (0/12) : pratiquement aucune pente ; le toit est entièrement plat et convient à certaines constructions modernes, mais le drainage doit être pris en compte.
Toits à faible pente (1/12 – 3/12) : cette pente convient aux bâtiments commerciaux et à certaines conceptions résidentielles modernes et nécessite généralement des mesures pour assurer le drainage.
Toits à pente moyenne (4/12 – 6/12) : il s’agit d’une gamme standard de pentes de toits résidentiels, offrant un bon drainage et une certaine flexibilité dans la conception.
Toits à forte pente (7/12 et plus) : cette pente est couramment utilisée dans les maisons traditionnelles et offre de bonnes performances en matière de drainage, mais nécessite plus de soin dans la conception de la structure.
Par conséquent, lors de la sélection du type de bâtiment en acier, il convient de tenir compte des différentes conceptions architecturales et des exigences fonctionnelles, et de choisir le type correspondant de pente de toit du bâtiment métallique. Le choix d’une pente de toit appropriée garantit la stabilité de la toiture dans diverses conditions naturelles et influe également sur l’aspect général et le style du bâtiment.
Hauteur de l'avant-toit en acier
La hauteur de l’avant-toit est la distance verticale entre le bord supérieur d’un bâtiment et le sol. Dans le cas des bâtiments en acier, le choix de la hauteur de l’avant-toit a une incidence sur l’aspect, la fonctionnalité, la ventilation et l’entretien du bâtiment. Voici quelques-uns des avantages, des implications financières et des facteurs déterminants de la hauteur de l’avant-toit :
Avantages
Impact visuel : Des hauteurs d’avant-toit plus importantes peuvent donner à un bâtiment un aspect plus grandiose et plus imposant, améliorant ainsi l’impact visuel global.
Ventilation : Une hauteur d’avant-toit plus importante améliore la ventilation à l’intérieur du bâtiment, facilitant la circulation de l’air et améliorant le confort intérieur.
Répondre aux besoins fonctionnels : Des pignons plus hauts peuvent offrir plus d’espace pour accueillir des biens d’équipement ou des besoins fonctionnels spécifiques, tels qu’un vaste stockage d’équipement, des lignes de production, etc.
Accueillir des véhicules ou des équipements de grande taille : Des hauteurs d’avant-toit plus importantes permettent d’accueillir des véhicules plus hauts ou des équipements de grande taille dans les bâtiments industriels.
Implications en termes de coûts
Coût des matériaux de construction : Les pignons plus hauts nécessitent plus d’acier et d’autres matériaux de construction, ce qui peut augmenter le coût des matériaux de construction.
Coûts de construction : Des hauteurs d’avant-toit plus élevées augmentent la hauteur du bâtiment, ce qui peut nécessiter du matériel de construction et de la main-d’œuvre supplémentaires, augmentant ainsi les coûts de construction.
Coûts d’entretien : Des hauteurs d’avant-toit plus élevées peuvent rendre l’entretien et le nettoyage plus difficiles, ce qui se répercute sur les coûts d’entretien.
Facteur déterminant
Exigences fonctionnelles : Des fonctions différentes exigent des hauteurs différentes ; par exemple, les bâtiments industriels peuvent nécessiter des hauteurs plus élevées pour accueillir des équipements de grande taille, tandis que les bâtiments commerciaux peuvent se concentrer davantage sur l’apparence et le confort.
Conception et style du bâtiment : Le style et le caractère de la conception du bâtiment influencent le choix de la hauteur de l’avant-toit ; par exemple, les techniques modernes peuvent privilégier un aspect propre et aéré, tandis que les styles traditionnels peuvent prendre en compte des hauteurs d’avant-toit plus importantes.
Contraintes budgétaires : Le budget est une considération importante et aura un impact direct sur les matériaux et les ressources de construction disponibles pour le bâtiment.
Réglementation : Les normes et réglementations locales en matière de construction peuvent également imposer des exigences et des restrictions spécifiques en ce qui concerne la hauteur des avant-toits.
Contreventement en acier
Le contreventement des structures en acier est un élément structurel essentiel qui soutient, stabilise et résiste aux forces externes dans un bâtiment. Le concepteur choisira le type de contreventement approprié en fonction de la structure spécifique du bâtiment et des exigences techniques, et le disposera dans la structure de manière raisonnable afin de garantir la stabilité et la sécurité du bâtiment. Vous trouverez ci-dessous quelques styles de contreventement en acier courants et leurs fonctions :
Contreventement diagonal
Les diagonales sont des tiges ou des lignes diagonales reliées à la structure, généralement entre les poutres et les colonnes, les fermes et d’autres éléments structurels pour former un « X ». Ils peuvent transférer efficacement les charges horizontales et verticales de la structure à la fondation, améliorant ainsi la stabilité globale du système et réduisant le risque de déformation de la structure.
Contreventement horizontal
Les contreventements horizontaux sont des tiges ou des éléments en acier reliés horizontalement à la structure, généralement entre les colonnes ou au sommet des fermes. Ils peuvent résister aux forces horizontales et empêcher le déplacement latéral du système, ce qui permet de maintenir la stabilité de la structure.
Contreventement vertical
Les contreventements verticaux sont des tiges ou des éléments en acier fixés verticalement à la structure, généralement en haut et en bas du bâtiment. Il empêche le système de se déformer et de vibrer dans le sens vertical et assure la stabilité verticale de la structure.
Poutrelle
Un treillis est une structure composée de plusieurs tiges, généralement utilisée pour soutenir des structures de grande portée telles que les ponts et les viaducs. Grâce à sa forme structurelle particulière, il peut transférer efficacement les charges à la fondation tout en maintenant la stabilité et la résistance du système.
Contreventement en X
Les entretoises en X sont des barres diagonales reliées à la structure de manière croisée, généralement dans l’ossature extérieure du bâtiment, formant un « X ». Ils peuvent améliorer efficacement la stabilité globale de la structure et sont particulièrement adaptés pour résister aux charges latérales telles que les tremblements de terre.
Mât
Un mât est une structure verticale généralement utilisée au sommet d’un immeuble de grande hauteur comme partie intégrante de la structure. Il peut fournir un soutien supplémentaire pour empêcher le déplacement latéral des immeubles de grande hauteur dans des conditions telles que les charges de vent.
Connexions des structures métalliques
Les assemblages de charpente métallique jouent un rôle essentiel dans la construction des bâtiments, et ce de plusieurs manières. Vous trouverez ci-dessous une description de chaque type de connexion :
Connexion boulonnée
Un assemblage par boulons est un assemblage standard et fiable généralement utilisé pour relier les éléments d’une structure en acier, par exemple entre une poutre et un poteau. Cette connexion utilise des boulons pour maintenir les éléments ensemble, généralement à travers des trous prédéfinis.
L’avantage de l’assemblage boulonné est qu’il est facile à démonter, ce qui permet de démonter la structure et de la modifier si nécessaire. En même temps, il assure un degré élevé de précision et d’étanchéité, garantissant la stabilité et la solidité de la connexion.
Raccords soudés
Un assemblage soudé est un moyen d’assembler de manière permanente deux éléments en faisant fondre leurs surfaces de contact. Le soudage est généralement utilisé pour les éléments structurels qui nécessitent une résistance et une stabilité accrues, tels que les fermes, les contreventements, etc.
L’avantage d’une connexion soudée est qu’elle fournit une relation solide et qu’elle a généralement un meilleur aspect et une meilleure performance structurelle globale. Cependant, les assemblages soudés ne sont pas faciles à démonter et peuvent être plus complexes que les assemblages boulonnés lorsque des parties de la structure doivent être démontées ou remplacées.
Raccords rivetés
Un assemblage riveté est similaire à un assemblage boulonné, mais il utilise des rivets (un rivet est une tige métallique maintenue en place par un capuchon de rivet à chaque extrémité) au lieu de boulons. Les assemblages rivetés étaient plus courants dans le passé, mais ils sont aujourd’hui généralement remplacés par des assemblages soudés ou boulonnés.
Connexion des broches
Un assemblage par goupilles utilise une ou plusieurs goupilles pour relier deux éléments entre eux. Ce type de connexion est souvent utilisé lorsqu’un certain degré d’amovibilité est requis, car les goupilles peuvent être retirées relativement facilement.
Raccordement des fixations
Un assemblage par fixation est une méthode d’assemblage d’éléments à l’aide de fixations spécialement conçues à cet effet. Ce type d’assemblage est généralement utilisé pour les petites structures telles que les ponts en tôle d’acier.
Conception des structures métalliques
La conception des structures métalliques est un domaine de conception technique dans lequel l’acier est le principal matériau de structure. Il comprend les aspects importants suivants :
Analyse structurelle
Pendant la phase de conception, l’ingénieur effectue d’abord une analyse structurelle pour déterminer les charges statiques et dynamiques auxquelles le bâtiment est soumis. Ces charges peuvent être dues au vent, à la pluie, à la neige, aux tremblements de terre, aux charges d’utilisation et à d’autres facteurs. En analysant les effets de ces charges, l’ingénieur peut calculer les forces, les moments, etc. auxquels la structure doit résister.
Sélection des composants
Sur la base des résultats de l’analyse structurelle, l’ingénieur sélectionnera le type, le calibre et la taille d’acier appropriés pour répondre aux exigences structurelles. Il peut s’agir de différents éléments tels que des poutres, des colonnes, des fermes, etc.
Conception de la connexion
Les connexions dans une structure en acier sont cruciales car elles déterminent la stabilité et la sécurité de l’ensemble du système. Les ingénieurs concevront les connexions appropriées, y compris les connexions boulonnées, les connexions soudées, etc.
Sélection et spécification des matériaux
En fonction des exigences structurelles et des spécifications de conception, les ingénieurs sélectionnent les matériaux d’acier appropriés et déterminent leurs spécifications, leur résistance et d’autres paramètres.
Calcul des charges et conception des structures
Sur la base des résultats de l’analyse des charges, l’ingénieur procède à la conception de la structure et détermine la taille des éléments, la forme de la section transversale et d’autres paramètres afin de garantir la sécurité et la stabilité de la structure.
Dessin CAO et modélisation 3D
Les ingénieurs utilisent des logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) pour réaliser des dessins de structures, notamment des plans, des coupes et des élévations. Un logiciel de modélisation 3D sera également utilisé pour créer un modèle 3D de la structure pour une analyse et un examen plus intuitifs.
Dessin de construction
Une fois la phase de conception terminée, l’ingénieur produira des plans de construction détaillés, comprenant des informations telles que les dimensions spécifiques des composants, les méthodes de connexion, les spécifications des matériaux, etc.
Conformité aux codes et normes
Les ingénieurs doivent respecter les normes et codes de construction nationaux ou régionaux lorsqu’ils conçoivent des structures en acier, afin de s’assurer que le système répond aux exigences de sécurité et de qualité.
résumé
La structure en acier est largement utilisée dans la construction moderne en tant que matériau essentiel de l’ingénierie de la construction, avec une résistance, une stabilité et une plasticité supérieures. Ses principaux avantages sont les suivants Excellente résistance au vent et aux tremblements de terre/caractéristiques de conception flexibles et malléables/ce qui en fait l’un des meilleurs choix pour tous les projets de construction.
En choisissant la bonne spécification d’acier et en utilisant les bonnes connexions, les ingénieurs peuvent concevoir une structure d’acier qui répond aux normes de sécurité, qui est stable et fiable, et qui est donc sûre à exploiter et à utiliser à long terme. Au cours du processus de conception, les ingénieurs doivent faire un usage complet de leurs connaissances professionnelles en mécanique des structures, mécanique des matériaux et autres aspects, et utiliser des logiciels de conception assistée par ordinateur pour s’assurer que la conception et la construction des structures en acier se déroulent dans les meilleures conditions.
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