Pour débuter et introduire cette notion, voici une vidéo réalisée par nos collègues français des ENSA à ce sujet:
Pour aborder cette question, commençons par contreventer un plan, puis nous étendrons le problème à une structure 3D. Ensuite, on abordera de manière générale les différentes morphologies de contreventement dans le bâtiment.
La vidéo qui suit introduit par l'expérience les différents moyens qui permettent de stabiliser un portique. L'objectif sera d'éviter que celui-ci se transforme "en parallélogramme".
Contreventer un portique "instable" revient à passer le faire passer d'une structure hypostatique à une structure isostatique, voir hyperstatique.
L'approche analytique qui suit se base sur les propriétés d'isostaticité interne des structures.
L'application en ligne Strian permet de vérifier la stabilité d'une structure quelconque dans le plan.
Elle vous fournit aussi les réactions de liaison, les efforts internes et les déplacements de la structure en fonction des actions et du matériau choisi.
Vous trouverez Strian ici. Il faut être connecté à internet pour le charger.
Le tuto qui suit vous guidera pour la prise en main de cet outil.
Dans Strian, nous devrons, dans l'ordre :
Maintenant que vous êtes capable de représenter une structure sur Strian et de déterminer les efforts et les déplacement dans celle-ci, voyons comment la pré-dimensionner en utilisant Strian et Prédim.
pour info
Treillis articulés : condition d’isostaticité dans le plan
(nombre d’inconnues = nombre d’équations)
a : nombre de réactions de liaison
b : nombre de barres
n : nombre de nœuds
a + b = 2n
Maintenant que l'on comprend comment contreventer un portique ou cadre, la question que nous allons nous poser est de savoir combien de faces nous devons contreventer dans un cube (2 portiques reliées par 2 poutres de liaison perpendiculaires).
L'application Game of Beams permet de tester à peu près n'importe quelle structure "filaire' (faite de barres: poteaux, câbles ou poutres). Elle vous permet de modéliser une structure en 3d et de vérifier si elle est suffisamment contre-ventée et donc stable.
Vous retrouverez Game of Beams pour smartphone sur Apple Store ou Google Play. Une version gratuite pour PC est également téléchargeable ici.
Le tuto qui suit illustre l'utilisation de l'application dans le cas du cube expliqué plus haut.
pour info
Treillis articulés : condition d’isostaticité dans l’espace
(nombre d’inconnues = nombre d’équations)
a : nombre de réactions de liaison
b : nombre de barres
n : nombre de nœuds
a + b = 3n
Pour contreventer une maille d'ossature, il existe 5 types de morphologies structurales qui peuvent être mises en place. Les voici :
Les diaphragmes
Dans l'exemple ci-contre, les charpentes métalliques ne peuvent contreventer dans le sens des façades ; c'est donc aux murs à rue de le faire.
Les croix de Saint-André
Les diagonales
Les nœuds encastrés
En béton armé coulé sur place, les nœuds sont d'office encastrés ! Cette "propriété" est utilisée dans le système Dom-Ino pour proposer une structure peu contraignante.
Les colonnes inclinées
Dans l'exemple ci-contre, la direction d'inclinaison des différentes colonnes soutenant le toit est aléatoire, afin de garantir une résistance latérale la plus homogène possible.
Afin de reprendre les efforts du vent quel que soit la direction d'où il souffle, chaque plan doit disposer d'au moins trois dispositifs (verticaux) de contreventement, qui ne soient ni parallèles, ni concourants entre eux. Une manière pratique de réaliser cela consiste à les rassembler en un "U", qui peut servir à accueillir les circulations verticales. On parle alors de noyau de contreventement.
Superposés au fil des étages, ces "U" constituent des sortes de profilés ouverts géants, reprenant, telles des poutres encastrées libres verticales, l'effort du vent poussant sur les façades et transmis par les plateaux.
Par exemple, voici la Tour de Jussieu en phase de démontage : on distingue les façades et les plateaux, mais aussi le noyau central, par son ombre verticale au milieu de la tour.
Ce voyage partira d'un bâtiment en béton armé contreventé par noyau central et aboutira aux poutres au vent d'un hangar en acier.
Cette photo d'un immeuble de logement illustre une construction standard basée sur une ossature poteau poutre en béton armé, contreventée par le principe des noyaux centraux.
Nous allons le traduire pour débuter notre voyage en un modèle simplifié de gabarit R+1
Cette maquette représente un immeuble en béton armé contreventé par 2 noyaux centraux. Comment ça marche? Le vent pousse sur les façades et à tendance à "enfoncer" celles-ci. Mais les façades sont bien accrochées au dalles de plancher (en haut et en bas et fonctionnent telle des poutres ou des dalles légères sur 2 appuis). Et les dalles fonctionnent comme des diaphragmes et sont comme d'immenses poutres mise à plat (sur 2 appuis) et dont les appuis sont les noyaux centraux. Ceux -ci sont sont comme 2 poutres verticales encastrées dans le sol et libres en tête.
Modifions la structure du plancher de ce bâtiment. Le principe structurel reste totalement identique. On a remplacé les dalles de béton
par des plancher contreventé par des croix de saint André.
Modifions le bâtiment en ne gardant que la partie centrale du plancher, celle qui est située entre les noyaux.
Le principe structurel reste identique à l'étape précédente mais on voit clairement apparaitre les 2 grandes poutres treillis superposées et à plat. Leur hauteur struturale (reliée à l'inertie) est égale la largeur du bâtiment.
Revenons au plan initial mais ne gardons que le rez-de-chaussée.
Supprimons les 2 noyaux centraux.
Pour que le bâtiment reste stable au vent nous allons remplacer les noyaux centraux par des croix de saint André placées
judicieusement.
Le contreventement central des noyaux de distribution est devenu périphérique en façade.
Ce principe structurel est standard dans la construction métallique des hangars.
Le diaphragme du plancher de l'immeuble en béton est devenu une poutre au vent longitudinale constituée de cadres contreventés en acier.
les noyau centraux, assurant une relation au sol et un point d'appuis rigide pour les diaphragmes se sont transformés en 2 travées (une travée est un ensemble de 2 portiques voisins) stables.
Les 2 travées extrêmes stabilisées par des croix, sont les "socles" stables sur lesquels s'appuye la poutre au vent longitudinale
On peut distinguer les poutres eau vent sur la photo de ce hangar en acier.
Ce petit voyage permet de comprendre la relation entre ces 3 éléments. La fonctions "immeuble de logement" s'associe bien (en fonction des valeurs de la société occidentale du 20eme siècle, tout étant relatif) à la construction en béton armé (rapidité de mise en œuvre, bonne stabilité au feu, acoustique intéressante au bruit aérien - mais gouffre en énergie non renouvelable pour sa production). La destination du bâtiment implique de grandes ouvertures en façade (peu de place pour le contreventement) mais les circulations verticales régulièrement espacées, encloisonnés dans une maçonnerie ou des voiles de béton résistant au feu constituent, une belle opportunité de contreventement par noyau central.
Mais avoir un noyau central en plein milieu d'un hangar n'est pas très pratique. La construction métallique est intéressante dans ce cas-là (peu de matière, prix bas, rapidité de mise ne oeuvre, pas de contrainte feu - l'acier est un matériau qui réagit mal face à un incendie en fondant rapidement. Les croix de contreventement vont alors êtres associées aux parois (cela ne gène pas dans ce cas).