Comment concevoir un poteau en acier – CADdikt
Les poteaux et les poutres en acier sont les éléments constitutifs de la plupart des grandes constructions commerciales de nos jours. Par conséquent, savoir comment concevoir un poteau en acier est l’une des premières choses que tout ingénieur digne de ce nom doit maîtriser.
La principale raison pour laquelle l’acier est si populaire est qu’il est relativement léger et facile à travailler, ce qui accélère le processus de construction. Il y a aussi quelques inconvénients, à savoir que l’acier est ductile et malléable, et peut donc facilement se déformer sous des charges élevées si la conception structurelle globale est incorrecte. Il est également plus cher que les autres matériaux et nécessite plus d’entretien à long terme. Dans l’ensemble, cependant, les avantages de la construction en acier l’emportent sur les inconvénients.
Les colonnes ont été une caractéristique des bâtiments à travers l’histoire, depuis les piliers ornés des temples et des arènes antiques jusqu’aux structures à ossature métallique actuelles. Bien que leur apparence soit beaucoup plus modeste à l’ère moderne, leur conception fait toujours l’objet d’une réflexion et d’une analyse approfondies. Il est également impératif de prendre les bonnes précautions de sécurité lors des calculs.
Comment concevoir un poteau en acier
La conception des poteaux en acier est un processus complexe et ceci n’est qu’un bref aperçu des principales étapes du processus. Pour plus d’informations, reportez-vous à l’Eurocode 4 : Conception des structures composites en acier et en béton, ou à la norme BS EN 1990 : Base de la conception structurelle.
Conditions d’une colonne idéale :
Lorsque vous réfléchissez à la façon de concevoir un poteau en acier, voici les conditions qui contribuent au poteau idéal :
- Initialement droit
- Chargé axialement
- Contrainte uniforme (pas de contrainte résiduelle)
- Matériau uniforme (pas de trous)
- Pas de charges transversales
Processus de conception des poteaux en acier
Le processus de conception d’un poteau en acier peut être décomposé en plusieurs étapes :
- Calcul de la zone d’influence
- Calcul de toutes les charges agissant sur les colonnes à partir de la zone d’influence
- Calcul de la section transversale
- Vérification des colonnes longues/courtes et de l’excentricité des colonnes
- Détermination des liens latéraux
Examinons ces étapes plus en détail.
ÉTAPE 1 : Calcul de la zone d’influence pour la conception des poteaux en acier
La zone d’influence est la zone sur laquelle la plus grande partie de la charge est appliquée. En d’autres termes, la zone de la colonne sur laquelle la charge la plus importante est appliquée. Il s’agit d’un simple calcul de zone une fois que la section a été mise en évidence.
ÉTAPE 2 : Calcul des charges agissant sur les colonnes à partir de la zone d’influence
La deuxième étape consiste à calculer toutes les charges agissant dans la zone d’influence spécifiée. Ces charges peuvent être soit des charges mortes, soit des charges vives. Les charges vives sont calculées à partir d’objets et de forces mobiles et variables, à savoir les humains, les chaises, les tables, etc., tandis que les charges mortes se rapportent à des objets immobiles comme les briques, les dalles et les poutres. La charge totale est calculée par :
Charge totale sur chaque étage = Charge morte sur l’étage + Charge vive sur l’étage
En utilisant ceci, Préel peut être calculé :
Pactuel = Charge totale sur chaque étage X nombre d’étages
ÉTAPE 3 : Calcul de la section transversale requise pour les poteaux en acier
La troisième étape du processus consiste à déterminer l’aire de la section transversale requise. Un point crucial à retenir ici est le suivant : pour éviter le flambage du poteau en acier, il faut envisager une section transversale plus grande. Cependant, l’acier étant cher, l’augmentation de la section transversale peut accroître considérablement le coût d’un projet. La sécurité ne doit pas être compromise pour maintenir les coûts à un niveau bas. Il faut donc effectuer des calculs adéquats des contraintes à l’intérieur de la poutre et choisir une section transversale appropriée dans les tableaux standard nationaux.
Le type de colonne le plus communément utilisé en ingénierie est la colonne universelle (UC) car elle se comporte bien en compression et possède des brides épaisses pour résister au flambage. Il existe plusieurs sections transversales disponibles, notamment :
- Section creuse circulaire (CHS) : Très résistants au flambage local, mais coût de connexion élevé et peuvent être faibles lorsqu’il y a une combinaison de charges de flexion et de compression. Ils sont souvent utilisés pour les grandes structures offshore telles que les plates-formes pétrolières.
- Profilés creux rectangulaires (RHS) : Ils sont largement utilisés dans les immeubles de grande hauteur car ils ont une bonne résistance aux charges de compression.
- Profilés d’angle : Utilisés pour les charges légères, par exemple dans les fermes de toit. Ils sont très faciles et rapides à assembler, ce qui les rend pratiques pour les projets de construction à grande échelle.
Les autres types de sections transversales sont les sections en I laminées, les sections en I soudées et les sections en caisson soudées.
Vérification du flambage des poteaux longs/courts et de l’excentricité des poteaux en acier.
Le flambement est causé par une force de flexion soudaine appliquée à une colonne droite soumise à une charge de compression axiale. Une colonne courte a moins de chance de se rompre par flambage. Une colonne longue est plus sujette au flambage, ce qui signifie qu’elle peut se plier sous la force de la charge. On parle d’excentricité lorsque la charge ne passe pas directement par le centre de la colonne.
Pour évaluer le flambement sous compression, un concept appelé “longueur effective” est utilisé. Pour calculer la longueur effective (KL), on utilise la longueur réelle (L) de la colonne et on tient compte des effets de rotation et de flambage de la charge. Il existe des équations dans la norme BS EN 1990 qui peuvent être utilisées à cette fin.
Détermination du diamètre et de l’espacement des attaches latérales pour les poteaux en acier
Cette dernière étape de comment concevoir un poteau en acier consiste à déterminer l’espacement des liens transversaux et des liants. L’objectif ici est de réduire l’espacement et de minimiser la valeur du diamètre. La structure sera ainsi plus stable et plus solide.