Calcul pratique des actions sur les structures

Parmi ces textes, les Eurocodes 0 et 1, préalables indispensables aux règles de calcul déclinées matériau par matériau dans les autres Eurocodes, posent les bases de la conception des structures et fixent les modalités de définition et de combinaison des actions et des charges à prendre en compte dans le dimensionnement. La dizaine de normes qui les composent, assorties des annexes nationales qui en précisent les modalités d’application en France, constituent un ensemble particulièrement volumineux et complexe.

Organisé selon la structuration de ces deux Eurocodes, l’ouvrage propose un décryptage pas à pas de ces textes majeurs, destiné à la fois à en faciliter la compréhension et l’appropriation par les praticiens et à constituer une référence consultable à tout moment sur un point particulier.

Illustré par de nombreux tableaux et figures, l’ouvrage inventorie les exigences fondamentales posées pour la conception et le calcul des structures, et les modes de détermination des actions qu’elles doivent supporter (poids propres, charges climatiques, effets de l’incendie, etc.). Il détaille les points de vigilance, les difficultés et les bonnes pratiques pour une application concrète des dispositions prévues par les normes.

Cet ouvrage s’adresse : – aux maîtres d’ouvrage et à leurs assistants (AMO) ; – aux ingénieurs des bureaux d’études ou de contrôle, des cabinets de conseil et d’ingénierie ;

Ingénieur-consultant, enseignant à l’École des Ponts ParisTech (ENPC) et au Centre des hautes études de la construction (CHEC), Pierre Maitre jouit d’une longue expérience professionnelle en matière de conception et de calcul d’ouvrages, notamment à structure métallique. Depuis la toute première phase d’élaboration des Eurocodes, il participe aux groupes de travail français et européens de normalisation. Il est membre de la Commission française de coordination des Eurocodes et président de la Commission de normalisation de la construction métallique et mixte (CNC2M).

Sommaire c c c c c c c c c c c

Généralités sur les Eurocodes Bases du dimensionnement Charges permanentes Charges d’exploitation Charges de neige Actions du vent Actions de la température Actions de l’incendie Actions en cours d’exécution Actions accidentelles Actions des appareils de levage et des machines

ISSN 2262-5089 ISBN 978-2-281-11902-2

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– aux techniciens œuvrant dans les collectivités territoriales et les services déconcentrés ; – aux futurs professionnels et aux stagiaires de la formation continue.

Calcul pratique des actions sur les structures

Les normes européennes dites « Eurocodes », élaborées pour harmoniser les pratiques de dimensionnement, quels que soient le matériau constitutif et le type de construction concerné, constituent désormais le référentiel technique applicable à la conception et au calcul des structures.

Pierre Maitre

Calcul pratique des actions sur les structures

Calcul pratique des actions sur les structures Eurocodes 0 et 1

Pierre Maitre

E X P E R T I S E T E C H N I Q U E EXPERTISE TECHNIQUE

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Sommaire Table des sigles et abréviations.................................................................. 5 Introduction.............................................................................................. 7 Chapitre 1

Généralités sur les Eurocodes......................................................... 9

Chapitre 2

Bases du dimensionnement.............................................................. 19

Chapitre 3

Charges permanentes........................................................................ 47

Chapitre 4

Charges d’exploitation........................................................................ 53

Chapitre 5

Charges de neige................................................................................. 65

Chapitre 6

Actions du vent.................................................................................... 89

Chapitre 7

Actions de la température................................................................ 161

Chapitre 8

Actions de l’incendie........................................................................... 167

Chapitre 9

Actions en cours d’exécution............................................................ 179

Chapitre 10

Actions accidentelles.......................................................................... 185

Chapitre 11

Actions des appareils de levage et des machines....................... 195 Index........................................................................................................ 207 Table des matières..................................................................................... 213

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Introduction Le référentiel technique en vigueur pour la conception et le calcul des structures des ouvrages de construction est exclusivement constitué des normes européennes dites « Eurocodes », depuis le retrait des normes nationales concurrentes, en avril 2010.

Le corpus des Eurocodes a en effet été établi en réponse à la volonté de codifier, pour l’ensemble des États membres de l’Union européenne et des autres pays associés au projet, les pratiques de dimensionnement des structures de la plus large gamme possible de constructions, et pour tous les matériaux constitutifs usuellement employés pour ces structures.

Ce corpus entièrement nouveau est, du fait même de son ambition, très volumineux et complexe. De plus, étant le fruit de la confrontation d’une multiplicité de pratiques diverses dans les différents pays participants et d’une très longue et difficile recherche du consensus indispensable à l’entérinement final des textes, la rédaction de ces normes présente des aspects très inhabituels par rapport aux usages jusqu’alors observés en France, ainsi que des ambiguïtés, fortuites ou délibérées, propres à tout texte de compromis maintes fois retravaillé.

Il en résulte que l’appropriation de ces normes européennes est un processus délicat qui ne peut s’effectuer que très progressivement. C’est dans ce contexte que le présent ouvrage propose d’apporter aux praticiens des éclairages et commentaires explicatifs sur les dispositions prévues par ces normes, en matière de principes de dimensionnement et d’évaluation des actions sur les structures de bâtiment.

Assez naturellement, la démarche d’élaboration des Eurocodes a consisté, en premier lieu, à appréhender, matériau par matériau, l’objectif général d’harmonisation, ce qui a abouti à la série des Eurocodes 2 à 6, à laquelle s’est, en dernier lieu, ajouté l’Eurocode 9. Rapidement est aussi apparue la nécessité d’abord d’étendre le projet à la définition de modalités communes de détermination des actions sur les ouvrages, puis d’assurer à l’ensemble une cohérence globale du point de vue de la sécurité obtenue pour les structures établies suivant ce référentiel.

Ainsi, le corpus des Eurocodes s’est doté, in fine, d’un ensemble très développé de normes consacrées aux actions, qui constituent l’Eurocode 1, et d’un texte fondamental, l’Eurocode 0, auquel tous les autres Eurocodes doivent se référer, dans la mesure où il fixe la philosophie générale de la démarche de dimensionnement, et les principes et exigences de base qui doivent être respectés dans cette démarche.

L’objet de ce guide est donc de présenter et d’expliciter les dispositions prévues par ces deux Eurocodes applicables à toutes les constructions, quel que soit leur matériau de structure constitutif. Concernant l’Eurocode 1, on se limite néanmoins aux parties intéressant les bâtiments, en laissant de côté celles plus spécialisées applicables aux ponts routiers ou ferroviaires, et aux silos et réservoirs.

De manière systématique, les présentations et explications des clauses des normes européennes intègrent le contenu des annexes nationales publiées comme normes françaises, 7

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Calcul pratique des actions sur les structures

pour accompagner la mise en application des Eurocodes, notamment en définissant les différents paramètres laissés à l’appréciation nationale au niveau européen.

L’organisation de cet ouvrage suit naturellement celle qui a été adoptée pour les normes Eurocodes : après des généralités sur l’élaboration et l’organisation du corpus des Eurocodes, l’ouvrage comporte un chapitre spécifique à l’Eurocode 0, puis des chapitres consacrés successivement à chaque partie de l’Eurocode 1.

La désignation officielle d’une norme européenne constituant la partie y d’un Eurocode X est, dans le catalogue de l’Afnor qui en assure l’édition et la diffusion, NF EN 199X-y et celle de l’annexe nationale qui lui est associée pour l’application en France, NF EN 199X-y/NA. Par convention, dans le cadre du présent ouvrage, le terme « Eurocodes » reste néanmoins utilisé pour désigner l’ensemble du corpus de ces normes, et le terme « Eurocode X » pour désigner la norme NF EN 199X considérée globalement avec toutes ses parties. Dans le cadre de chaque chapitre propre à une partie bien identifiée, les expressions « norme européenne » et « annexe nationale » sont utilisées pour désigner les deux textes analysés dans ledit chapitre.

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CHAPITRE 4 Charges d’exploitation

4.1 Généralités Les charges d’exploitation sont des actions variables dans le temps et dans l’espace, directement liées à l’utilisation projetée pour les ouvrages. Cette utilisation est en principe susceptible d’être évaluée au cas par cas et, de ce point de vue, la définition des charges associées relève davantage de spécifications contractuelles que de la codification. Ces spécifications peuvent éventuellement inclure le traitement des amplifications dynamiques liées à la réponse de la structure et un modèle de charge de fatigue lorsque des variations importantes et nombreuses du chargement au cours de la durée d’utilisation de la construction sont prévisibles.

Cependant, de très nombreux ouvrages répondent à des besoins communs, propres à une catégorie d’utilisation bien identifiée et banalisée : bâtiments d’habitation, bâtiments de bureaux notamment.

Il est alors légitime, afin d’assurer une sécurité homogène de ces ouvrages et de protéger leurs utilisateurs contre tous errements, de codifier les valeurs de charges d’exploitation à adopter. Dans le domaine du bâtiment, cette codification est l’objet essentiel de la norme NF EN 1991‑1‑1 et de l’annexe nationale qui l’accompagne.

Néanmoins, ces deux documents ne donnent que quelques indications limitées pour les bâtiments industriels qui, généralement, répondent à des besoins très spécifiques. La traduction en charges d’exploitation de ces besoins doit donc plutôt s’effectuer par voie contractuelle.

Remarque : les ponts routiers et les ponts ferroviaires constituent une seconde famille importante d’ouvrages dont les charges d’exploitation appellent une codification précise, d’autant plus indispensable qu’il s’agit d’un enjeu de sécurité publique. Ces charges font l’objet de la partie 2 de l’EN 1991 ; elles ne sont pas abordées dans le cadre du présent ouvrage consacré au domaine du bâtiment.

Quatre catégories principales d’utilisation des bâtiments sont identifiées par la norme européenne comme accessibles à une codification générale des charges d’exploitation à prendre en compte : 53

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Calcul pratique des actions sur les structures

––A : habitations ; ––B : bureaux ; ––C : lieux de réunion ; ––D : commerces.

D’autres catégories s’y ajoutent, correspondant à des utilisations plus spécifiques : locaux industriels, parcs de stationnement de véhicules, toitures accessibles ou non, hélistations.

Les charges définies pour les catégories principales A à D couvrent les effets normaux de la simple occupation humaine des locaux, ainsi que les mobiliers et équipements légers associés à cette occupation. En revanche, les équipements lourds sont soit inclus dans les charges permanentes, soit couverts par une spécification particulière.

Malgré le caractère assez commun de l’utilisation des locaux relevant des catégories A à D, il est difficile de disposer de données statistiques suffisamment probantes pour arrêter des valeurs de charges qui fassent consensus. En conséquence, la norme européenne fournit, dans chaque cas, des fourchettes de valeurs dans lesquelles les annexes nationales doivent fixer leurs prescriptions. Cependant, conformément aux règles générales de rédaction prévues pour les Eurocodes, la norme recommande systématiquement un choix précis dans les fourchettes proposées.

4.2

Dispositions communes

Les charges d’exploitation d’un ouvrage donné peuvent comporter différentes composantes qui, globalement, traduisent les conditions prévisibles d’utilisation normale de cet ouvrage. À ce titre, ces charges d’exploitation constituent une action unique dans le cadre de la formation des combinaisons d’actions associées aux différentes situations de projet prévues par l’EN 1990.

Les charges définies par la norme ont le statut de charges caractéristiques au sens de l’EN 1990. Pour les charges liées à l’exploitation des ouvrages prenant un caractère accidentel, il convient de se référer à la partie 1‑7 de l’EN 1991, présentée dans le chapitre 10 du présent ouvrage.

Les valeurs fournies par la norme s’entendent comme des charges quasi statiques, incluant éventuellement un effet dynamique mais excluant une réponse amplificatrice de la structure.

Lorsque des effets de résonance sont prévisibles, un modèle de chargement spécifique doit être déterminé. Dans le domaine du bâtiment, c’est typiquement le cas lorsque l’utilisation projetée implique des mouvements rythmés et synchronisés des personnes.

Conformément aux usages établis dans la plupart des pays – et par commodité –, la charge d’exploitation pour les catégories A à D s’exprime, en premier lieu, sous la forme d’une charge uniformément répartie sur la surface des planchers (qk). Elle est complétée par une charge concentrée (Qk), à considérer isolément, susceptible de produire des effets locaux défavorables, notamment par poinçonnement ; la surface d’application recommandée pour cette charge concentrée est un carré de 50 mm de côté.

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Charges d’exploitation – Chapitre 4

La norme apporte des précisions pour les distributions de la charge d’exploitation à considérer sur les surfaces de plancher : ––pour le calcul d’un plancher défini, la charge d’exploitation doit être considérée comme une action libre, appliquée sur la surface totale ou partiellement, de sorte à produire les effets les plus défavorables. En revanche, les charges des autres niveaux susceptibles d’avoir une influence sont considérées comme des actions fixes, uniformément réparties ; ––pour le calcul des éléments porteurs verticaux, poteaux ou murs, la charge d’exploitation doit être distribuée de la manière la plus défavorable. Cependant, pour déterminer l’effort axial maximal dans ces éléments, la norme européenne recommande d’admettre une répartition uniforme de la charge d’exploitation sur les planchers des étages.

4.3

Valeurs prescrites par l’annexe nationale pour les locaux courants

Les principales valeurs prescrites par l’annexe nationale à la norme européenne en fonction de la catégorie d’usage des bâtiments sont reprises ci-après. D’une manière générale, les choix effectués à partir des recommandations de la norme européenne marquent une continuité avec les valeurs antérieurement applicables au titre de l’ancienne norme française NF P 06‑001.

4.3.1

Bâtiments d’habitation – Catégorie A

Pour les bâtiments de catégorie A, la charge répartie (qk) est fortement augmentée dans les zones où les personnes peuvent se concentrer, par rapport à celle qui est fixée pour l’espace de logement proprement dit ; la charge concentrée (Qk) reste identique pour toutes les zones (tab. 4.1).

Tab. 4.1. Charges prescrites pour les bâtiments d’habitation

qk (kN/m2)

Qk (kN)

Logements

1,5

2,0

Balcons

3,5

2,0

Escaliers et halls d’entrée

2,5

2,0

Partie du bâtiment

4.3.2

Bâtiments de bureaux (catégorie B) et lieux de réunion (catégorie C)

Les valeurs des charges dépendent de l’importance des effectifs accueillis dans les ouvrages, de la présence ou non de sièges et de la nature des activités abritées par les locaux (tab. 4.2).

55

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Calcul pratique des actions sur les structures

Tab. 4.2. Charges prescrites pour les bureaux et pour les lieux de réunion

qk (kN/m2)

Qk (kN)

Bureaux/B

2,5

4,0

Espaces équipés pour réunions (salles de classe, restaurants et laboratoires scolaires…)/C1

2,5

3,0

Espaces équipés de sièges fixes (amphithéâtres scolaires et universitaires…)/C2

4,0

4,0

Espaces libres et circulations (salles sans sièges, halls d’entrée, escaliers, couloirs…)/C3

4,0

4,0

Espaces pour activités physiques (salles de danse, bâtiments sportifs…)/C4

5,0

7,0

Grands espaces publics (salles de spectacles ou d’exposition, halls de gare…)/C5

5,0

4,5

Catégorie ou sous-catégorie

4.3.3 Commerces – Catégorie D La catégorie D est subdivisée en deux sous-catégories afin de distinguer les commerces de détail (boutiques traditionnelles) et les grands magasins. L’unique différence concerne la charge concentrée (Qk), laquelle est aggravée pour ces derniers compte tenu des volumes plus importants dont ils disposent (tab. 4.3).

Tab. 4.3. Charges prescrites pour les commerces

qk (kN/m2)

Qk (kN)

Commerces de détail courants/D1

5,0

5,0

Grands magasins/D2

5,0

7,0

Sous-catégorie

4.3.4 Terrasses accessibles depuis des locaux de catégories A à D – Catégorie I Ces terrasses ne font pas l’objet de charges spécifiques : on leur applique les charges définies pour la catégorie des locaux qui y donnent accès (1,5 kN/m2 dans le cas des logements).

4.3.5 Aires de stationnement Les valeurs des charges varient selon le poids total autorisé en charge (PTAC) des véhicules (tab. 4.4).

56

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Charges d’exploitation – Chapitre 4

Tab. 4.4. Charges prescrites pour les aires de stationnement

Catégorie

Caractéristiques

qk (kN/m2)

QK (kN)

Véhicules légers/F

PTAC ⩽ 30 kN et moins de 9 places assises

2,3

15

Véhicules de poids moyen/G

30 kN < PTAC ⩽ 160 kN à deux essieux

5,0

90

Pour la catégorie F, la charge Qk est une charge d’essieu répartie sur deux carrés de 100 mm de côté dont les centres sont espacés de 1,80 m.

Pour la catégorie G, la charge Qk est une charge d’essieu répartie sur deux carrés de 200 mm de côté dont les centres sont espacés de 1,80 m. Pour cette catégorie et pour les véhicules plus lourds, l’annexe nationale précise que les spécifications particulières doivent définir les véhicules admis sur l’ouvrage et fixer les zones dans lesquelles ils sont susceptibles de circuler.

4.3.6 Garde-corps (efforts horizontaux linéiques) Les efforts horizontaux linéiques à considérer sur les garde-corps sont modulés en fonction de la nature des locaux où ils sont installés et de l’importance des effectifs accueillis dans ces locaux (tab. 4.5).

Tab. 4.5. Efforts horizontaux linéiques prescrits sur les garde-corps selon la catégorie du local

Catégorie

Effort horizontal linéique (kN/m)

Logements/A

0,6

Bureaux/B

0,6

Lieux de réunion/C1 à C4

1,0

Grands espaces publics/C5

3,0

Commerces/D

1,0

Aires de stockage/E1

0,8

Locaux industriels/E2

0,3

Deux normes spécialisées traitent d’efforts horizontaux sur les garde-corps et priment l’annexe nationale de l’EN 1991‑1‑1. Il s’agit : ––pour les installations pour spectateurs (tribunes) provisoires ou permanentes dans les lieux de divertissement ou à usage sportif, de la norme européenne NF EN 13200 ; la partie 3 de 57

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Calcul pratique des actions sur les structures

cette norme traite des éléments de séparation dans ces installations et fixe les valeurs de charges horizontales qu’il convient d’utiliser pour les ouvrages concernés ; ––pour les garde-corps des installations industrielles, de la norme NF E 85‑015 qui fixe les charges à prendre en compte dans ce cas particulier.

4.3.7

Charge d’entretien sur les toitures non accessibles – Catégorie H

Cette charge d’entretien couvre les opérations de maintenance courante sur les toitures normalement non accessibles aux usagers du bâtiment. Pour cette raison, elle est représentée soit par une charge ponctuelle, soit par une charge répartie sur une surface limitée ; elle ne peut donc pas couvrir des opérations importantes de réfection qui se traduiraient notamment par des entreposages significatifs de matériaux sur la toiture.

Par nature, les charges d’entretien, tout en entrant dans la catégorie générale des actions variables d’exploitation, ne sont pas cumulables avec les actions climatiques de neige ou de vent.

Comme le permet la norme européenne, l’annexe nationale française a choisi de réserver la charge d’entretien, exprimée sous forme de charge répartie, aux toitures avec étanchéité de pente inférieure à 15 %, les autres toitures n’étant concernées que par la charge ponctuelle : • terrasses et toitures non accessibles recevant une étanchéité et de pente inférieure à 15 % : ––soit une charge concentrée de 1,5 kN, ––soit, sans cumul, une charge répartie de 0,8 kN/m2 sur un rectangle quelconque de 10 m2 présentant une longueur au plus égale à deux fois sa largeur (fig. 4.1) ; • autres toitures non accessibles : une charge concentrée de 1,5 kN. Remarque : pour les toitures accessibles, la charge d’exploitation à retenir est celle attachée aux locaux qui y donnent accès. Dans le cas particulier de toitures correspondant à un aménagement paysager, l’annexe nationale recommande de prévoir une charge minimale de 3 kN/m2 pour anticiper l’accumulation de matériaux lourds dans le cadre de travaux de réfection de la toiture.

Fig. 4.1. Répartition de la charge d’entretien pour une toiture avec étanchéité

58

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Charges d’exploitation – Chapitre 4

4.3.8

Cloisons de distribution

Lorsqu’une répartition transversale est assurée par les planchers, les charges des cloisons non porteuses et de poids limité, dont le déplacement ou l’ajout sont acceptés a priori, peuvent être considérées comme des charges uniformément réparties ajoutées aux charges d’exploitation, suivant le tableau 4.6.

Tab. 4.6. Charges réparties représentant les cloisons de distribution pour les planchers assurant une répartition transversale

Poids propre linéique maximal des cloisons (kN/m)

Valeur qk à ajouter à la charge d’exploitation uniformément répartie (kN/m2)

1,0

0,5

2,0

0,8

3,0

1,2

4.4

Cumul des charges d’exploitation

4.4.1 Prise en compte de l’importance des surfaces de chargement Les valeurs de charge d’exploitation fixées par la norme correspondent à des valeurs caractéristiques qui, par définition, ont une probabilité faible de se réaliser au cours de la vie de l’ouvrage. Ainsi, il ne serait pas justifié de considérer que, dans un bâtiment donné, ces valeurs puissent intéresser simultanément toutes les surfaces possibles de chargement, quelle que soit l’étendue de celles-ci.

La norme européenne prévoit donc des réductions de la valeur de la charge d’exploitation selon l’importance des surfaces sur lesquelles cette charge est envisagée de manière simultanée. Il s’agit : ––en fonction de la nature des locaux, d’une réduction de la valeur de référence pour les surfaces importantes de plancher, par l’intermédiaire d’un coefficient noté αA ; ––pour les bâtiments à grand nombre de niveaux dont les occupations peuvent être considérées comme indépendantes, d’une dégression en fonction du nombre d’étages pris en compte simultanément, par l’intermédiaire d’un coefficient noté αn.

Ces deux réductions possibles ne doivent pas être cumulées. En outre, lorsque la charge d’exploitation constitue, dans l’étude d’une situation de projet donnée, une action d’accompagnement, le coefficient ψ correspondant et la réduction pour le nombre d’étages ne se cumulent pas non plus. En pratique, on retient donc :

––la plus faible des valeurs αA ou αn, lorsque la charge d’exploitation est choisie comme l’action variable dominante ; 59

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Table des matières Table des sigles et abréviations.................................................................. 5 Introduction.............................................................................................. 7 Chapitre 1

Généralités sur les Eurocodes......................................................... 9

1.1

Élaboration des Eurocodes................................................................. 9

1.2

Statut et utilisation des Eurocodes.................................................... 10

1.3

Mise en place des Eurocodes en France............................................ 12

1.4

Organisation générale des Eurocodes............................................... 13

Chapitre 2

Bases du dimensionnement.............................................................. 19

2.1

Présentation générale.......................................................................... 19

2.2

Notions essentielles et définitions....................................................... 20

2.2.1

Durée d’utilisation de projet................................................................... 20

2.2.2

Situations de projet................................................................................. 22

2.2.3 États-limites............................................................................................. 22

2.2.4

Fiabilité structurale................................................................................. 23

2.3

Classification et valeurs des actions.................................................. 23

2.3.1

Valeur caractéristique de l’action variable............................................. 24

2.3.2

Valeurs dites « de combinaison »............................................................ 24

2.3.3

Valeurs fréquente et quasi permanente de l’action variable................... 24

2.3.4

Indications complémentaires sur les actions........................................... 25

2.3.4.2

Actions variables....................................................................................... 25

2.3.4.1

2.4

Définition des résistances.................................................................... 26

2.5

Analyse structurale.............................................................................. 26

2.6

Exigences de base................................................................................. 27

2.7

Méthode des coefficients partiels....................................................... 28

2.7.1

Effets de calcul des actions...................................................................... 29

2.7.2

Valeurs de calcul des résistances............................................................. 30

Actions permanentes................................................................................. 25

213

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Calcul pratique des actions sur les structures

2.7.3

Justification du dimensionnement structural.......................................... 31

2.8

Combinaisons des actions................................................................... 31

2.8.1

Combinaisons pour les situations de projet durables et transitoires...... 32

2.8.2

Combinaisons pour les situations accidentelles et sismiques................... 33

2.9

Application de l’EN 1990 aux bâtiments – Annexe A1 et annexe nationale NF EN 1990/NA................................................. 34

2.9.1 Coefficients ψi......................................................................................... 34

2.9.2 Coefficients γG et γQ................................................................................ 36

2.9.3

Combinaisons d’actions pour les situations de projet accidentelles et sismiques............................................................................................. 38

2.9.4

États-limites de service............................................................................ 38

2.10

Annexes informatives de l’EN 1990................................................... 39

2.10.1

Annexe B – Gestion de la fiabilité structurale........................................ 40

2.10.2

Annexe C – Bases pour la méthode des coefficients partiels et l’analyse de la fiabilité............................................................................................ 43

2.10.3

Annexe D – Dimensionnement assisté par l’expérimentation................. 44

2.11

Formation des combinaisons d’actions pour un bâtiment courant................................................................... 45

2.11.1

Combinaisons relatives aux états-limites ultimes de résistance.............. 45

2.11.2

Combinaisons relatives aux états-limites de service................................ 46

2.11.2.2

Combinaisons fréquentes........................................................................... 46

2.11.2.1

2.11.2.3

Chapitre 3

Combinaisons rares................................................................................... 46 Combinaison quasi permanente................................................................. 46 Charges permanentes........................................................................ 47

3.1 Généralités............................................................................................ 47

3.2 Codification........................................................................................... 48

3.3

Données numériques usuelles pour le calcul des charges permanentes.......................................................................................... 49

3.3.1

Matériaux structurels.............................................................................. 50

3.3.2

Matériaux de construction...................................................................... 50

3.3.3

Matériaux stockés (poids volumique et angle de talus naturel).............. 51

Chapitre 4

Charges d’exploitation........................................................................ 53

4.1 Généralités............................................................................................ 53

214

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Table des matières

4.2

Dispositions communes....................................................................... 54

4.3

Valeurs prescrites par l’annexe nationale pour les locaux courants................................................................................................. 55

4.3.1

Bâtiments d’habitation – Catégorie A..................................................... 55

4.3.2

Bâtiments de bureaux (catégorie B) et lieux de réunion (catégorie C).... 55

4.3.3

Commerces – Catégorie D....................................................................... 56

4.3.4

Terrasses accessibles depuis des locaux de catégories A à D – Catégorie I............................................................................................ 56

4.3.5

Aires de stationnement............................................................................ 56

4.3.6

Garde-corps (efforts horizontaux linéiques)........................................... 57

4.3.7

Charge d’entretien sur les toitures non accessibles – Catégorie H......... 58

4.3.8

Cloisons de distribution........................................................................... 59

4.4

Cumul des charges d’exploitation..................................................... 59

4.4.1

Prise en compte de l’importance des surfaces de chargement................ 59

Coefficient de réduction αA pour les surfaces A supérieures à 15 m2........... 60

4.4.1.1 4.4.1.2

Coefficient de réduction αn pour le cumul des charges de n étages avec n > 2................................................................................................ 60

4.4.2

Combinaison avec d’autres actions variables.......................................... 60

4.5

Charges particulières........................................................................... 62

4.5.1

4.5.1.1

Stockage et locaux industriels – Catégorie E.......................................... 62

4.5.1.2

Locaux à usage industriel – Catégorie E2................................................... 62

4.5.2

Chariots élévateurs.................................................................................. 62

4.5.3

Hélistations en toiture – Catégorie K...................................................... 64

Chapitre 5

Charges de neige................................................................................. 65

Surfaces susceptibles de recevoir une accumulation de marchandises – Catégorie E1.......................................................................................... 62

5.1 Généralités............................................................................................ 65

5.2

Charges au sol et carte des régions de neige.................................... 66

5.2.1

Définition de valeurs caractéristiques et accidentelles de la charge de neige.................................................................................................... 66

5.2.2

Poids volumique de la neige.................................................................... 67

5.2.3

Carte française des régions de neige....................................................... 68

5.2.4

Valeurs des charges de neige au sol......................................................... 69

5.3

Charges de neige sur les toitures........................................................ 72

5.3.1

Effets thermiques, coefficient Ct.............................................................. 72 215

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Calcul pratique des actions sur les structures

5.3.2

Effets de l’écoulement de l’air autour de la construction....................... 72

5.3.2.2

Redistribution de la neige par le vent......................................................... 73

5.3.3

Glissement et accumulation de la neige sur les toitures – Coefficient de forme μ............................................................................................... 74

5.3.4

Charges de pluie sur une toiture enneigée.............................................. 75

5.3.5

Expression générale de la charge de neige sur une toiture..................... 76

5.4

5.4.1

Versants simples, sans obstacle au glissement de la neige....................... 77

5.4.2

Versants intérieurs des toitures multiples............................................... 77

5.4.3

Toitures en forme de voûte cylindrique................................................... 78

5.4.4

Toitures en dénivellation......................................................................... 80

5.4.5

Obstacles locaux sur les toitures plates................................................... 81

5.4.6

Débords de toiture................................................................................... 82

5.5

Coefficients de forme définis par l’annexe B................................... 83

5.5.1

Versants intérieurs des toitures multiples............................................... 83

5.5.2

Toitures en dénivellation......................................................................... 84

5.5.3

Obstacles locaux...................................................................................... 85

5.6

Configurations hors norme, recours à la simulation en soufflerie........................................................................................... 87

Chapitre 6

Actions du vent.................................................................................... 89

5.3.2.1

Coefficient d’exposition Ce....................................................................... 72

Définitions détaillées du coefficient de forme μ...............................

77

6.1 Généralités............................................................................................ 89

6.2

Vent de référence et carte des régions de vent................................. 91

6.2.1

Vent de référence..................................................................................... 91

6.2.2

Carte des régions de vent........................................................................ 92

6.2.3

Ajustements de la vitesse de référence.................................................... 95

6.2.3.2

Coefficient de direction (cdir).................................................................... 97

6.2.3.1

6.3

Modélisation du vent naturel.............................................................. 100

6.3.1

Évolution de la vitesse moyenne en fonction de la hauteur au-dessus du sol....................................................................................................... 100

6.3.2

Composante fluctuante de la vitesse du vent........................................... 102

6.3.3

Formule de la pression de pointe............................................................ 103

6.3.4

Prise en compte du relief du terrain....................................................... 104

Coefficient de saison (cseason).................................................................... 95

216

9900_CPA_.indb 216

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Table des matières

6.4

Définition pratique du vent incident sur une construction............ 105

6.4.1.1

Procédure 1 – Orographie complexe.......................................................... 106

6.4.1

6.4.1.2 6.4.2

6.4.2.1

6.4.2.3

6.4.2.2 6.4.3 6.4.4

Coefficient d’orographie......................................................................... 105 Procédure 2 – Collines et escarpements..................................................... 107 Évaluation de la rugosité des terrains..................................................... 109

Secteur élémentaire d’incidences............................................................... 111 Secteur nominal d’incidences.................................................................... 111

Distance au vent à explorer....................................................................... 111 Catégories de terrain............................................................................... 112 Valeurs des coefficients de rugosité et d’exposition................................. 114

6.5

6.5.1

6.6

Calcul du coefficient structural.......................................................... 119

6.6.2

Valeur forfaitaire du coefficient structural et détermination par abaques............................................................................................. 121

6.5.2 6.6.1

Caractéristiques dynamiques de la structure............................................... 124

6.6.3.3

Formule de base du coefficient structural............................................... 120

6.6.3.2

Autres constructions................................................................................ 119

Procédure détaillée de calcul du coefficient structural........................... 124

6.6.3.1

Cas des bâtiments fermés........................................................................ 117

6.6.3

Démarche de principe pour le calcul des actions du vent sur une construction........................................................................................... 116

6.6.3.4 6.6.3.5 6.6.3.6 6.6.3.7

Définition géométrique de la construction.................................................. 124 Termes complémentaires d’amortissement................................................. 127 Effet de dimensions................................................................................... 127

Amplification dynamique de l’action du vent............................................. 127

Facteur de pointe....................................................................................... 128 Expression finale du coefficient structural.................................................. 128

6.7

Configurations traitées par la norme NF EN 1991‑1‑4.................. 129

6.7.1

Murs isolés et acrotères, clôtures – § 7.4 de la norme............................. 129

6.7.2

Panneaux de signalisation – § 7.4.3 de la norme..................................... 130

6.7.3

Éléments structuraux – § 7.6, 7.7, 7.8, 7.9 et 7.13 de la norme............... 131

6.7.3.2

Éléments structuraux de section rectangulaire............................................ 132

6.7.3.1

6.7.3.3

6.7.3.4 6.7.3.5

Facteur d’effet d’extrémités ψλ – § 7.13 de la norme.................................. 132

Profilés à angles vifs................................................................................. 133

Éléments de section polygonale régulière................................................... 133 Éléments de section circulaire.................................................................... 133

6.7.4

Sphères – § 7.10 de la norme................................................................... 135

6.7.5

Structures en treillis – § 7.11 de la norme............................................... 136

6.7.6

Ponts – Chapitre 8 de la norme............................................................... 137 217

9900_CPA_.indb 217

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Calcul pratique des actions sur les structures

6.8

Coefficients de pression pour les bâtiments courants..................... 139

6.8.1

Pression de pointe associée aux coefficients de pression extérieure........ 139

6.8.2

Zonage et effet de dimensions à l’échelle des parois............................... 140

6.8.3

Coefficients de pression extérieure pour les murs verticaux................... 141

6.8.3.2

Murs parallèles à la direction du vent......................................................... 142

6.8.3.1

6.8.4

Coefficients de pression extérieure pour les toitures............................... 143

6.8.4.2

Toitures à un versant................................................................................. 144

6.8.5

Coefficient de pression intérieure............................................................ 147

6.8.6

Efforts de vent sur les acrotères.............................................................. 149

6.8.7

Forces de frottement............................................................................... 150

6.9

Coefficients de pression et de force pour les toitures isolées.......... 151

6.9.1

Coefficients locaux cp,net.......................................................................... 152

6.9.2

Coefficients de force globaux.................................................................. 154

6.9.3

Utilisation des coefficients de force pour le chargement des éléments de structure............................................................................................. 157

6.9.4

Forces de frottement............................................................................... 158

6.10

Configurations non couvertes par la norme.................................... 158

6.10.1

Essais en soufflerie.................................................................................. 159

6.10.2

Simulations numériques.......................................................................... 160

Chapitre 7

Actions de la température................................................................ 161

Murs perpendiculaires à la direction du vent.............................................. 141

6.8.4.1 Toitures-terrasses...................................................................................... 144

6.8.4.3

Toitures à deux versants............................................................................ 146

7.1 Généralités............................................................................................ 161

7.2

Données de base.................................................................................... 161

7.3

Description générale de la température dans un élément de structure............................................................. 163

7.4

Dispositions relatives aux bâtiments – Section 5 de l’Eurocode.... 163

7.5

Dispositions relatives aux ponts – Section 6 de l’Eurocode........... 164

7.6

Dispositions relatives aux cheminées industrielles, pipelines, silos, réservoirs, tours de refroidissement – Section 7 de l’Eurocode........................................................................................ 166

7.7

Annexes de la norme NF EN 1991‑1‑5.............................................. 166

218

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Table des matières

Chapitre 8

Actions de l’incendie........................................................................... 167

8.1 Généralités............................................................................................ 167

8.1.1

Contexte général de résistance au feu des structures.............................. 167

8.1.2

Différents aspects de la protection contre l’incendie............................... 168

8.1.3

Organisation des procédures de calcul du comportement au feu des structures.......................................................................................... 168

8.1.4

Termes et définitions spécifiques aux études de comportement au feu des structures.......................................................................................... 170

8.2

Organisation générale de la norme NF EN 1991‑1‑2...................... 170

8.3

Texte principal de la norme NF EN 1991‑1‑2 – Sections 2, 3 et 4. 171

8.3.1

Section 2 – Procédures de calcul............................................................. 171

8.3.2

Section 3 – Actions thermiques............................................................... 172

8.3.3

Section 4 – Actions mécaniques............................................................... 173

8.4

Annexes à la norme NF EN 1991‑1‑2................................................ 174

8.4.1

Annexe A – Courbes paramétrées température-temps........................... 174

8.4.2

Annexe B – Actions thermiques pour les éléments extérieurs : méthode de calcul simplifiée.................................................................... 174

8.4.3

Annexe C – Feux localisés....................................................................... 176

8.4.4

Annexe D – Modèles de feu avancés........................................................ 176

8.4.5

Annexe E – Densités de charge calorifique............................................. 176

8.4.6

Annexe F – Temps équivalent d’exposition au feu.................................. 177

8.4.7

Annexe G – Facteur de forme................................................................. 177

Chapitre 9

Actions en cours d’exécution............................................................ 179

9.1 Généralités............................................................................................ 179

9.1.1

Actions usuelles affectant les constructions à toute étape du projet....... 179

9.1.2

Actions intervenant spécifiquement en phase d’exécution...................... 179

9.1.3

Organisation de la norme européenne.................................................... 180

9.2

Actions applicables aux constructions en général........................... 180

9.3

Charges de construction...................................................................... 181

9.4

Annexes à la norme européenne........................................................ 183

9.4.1

Annexe A1 – Règles complémentaires pour les bâtiments...................... 183

9.4.2

Annexe A2 – Règles complémentaires pour les ponts............................. 183

9.4.3

Annexe B – Actions sur les structures en cours de modification, reconstruction ou démolition................................................................... 183 219

9900_CPA_.indb 219

01/02/17 11:52

Calcul pratique des actions sur les structures

Chapitre 10

Actions accidentelles.......................................................................... 185

10.1 Généralités............................................................................................ 185

10.2

Actions accidentelles identifiées......................................................... 186

10.2.1

Généralités sur les stratégies vis-à-vis des actions accidentelles identifiées................................................................................................ 186

10.2.2

Annexe B de la norme NF EN 1991‑1‑7 – Information sur l’évaluation des risques............................................................................................... 187

10.2.3

Section 4 et annexe C de la norme NF EN 1991‑1‑7 – Chocs.................. 188

10.2.3.2

Chocs occasionnés par les chariots élévateurs............................................ 189

10.2.3.1

10.2.3.3

10.2.3.4

10.2.3.5

10.2.3.6

Chocs occasionnés par les véhicules routiers.............................................. 188

Déraillements de train en dessous ou à proximité de structures................... 189 Chocs occasionnés par les bateaux............................................................. 189 Chocs occasionnés par les hélicoptères...................................................... 189

Annexe C – Calcul dynamique pour le choc............................................... 190

10.2.4

Section 5 et annexe D de la norme NF EN 1991‑1‑7 – Explosions intérieures................................................................................................ 191

10.3

Limitation de la propagation d’une défaillance locale................... 192

10.3.1

Stratégies vis-à-vis des défaillances locales............................................. 192

10.3.2

Annexe A de la norme NF EN 1991‑1‑7 : prise en compte, à la conception, des conséquences d’une défaillance locale due à une cause non spécifiée.................................................................. 193

Chapitre 11

Actions des appareils de levage et des machines....................... 195

11.1 Généralités............................................................................................ 195

11.2

Actions exercées par les appareils de levage.................................... 196

11.2.1

Situations de fonctionnement de l’appareil de levage............................. 197

11.2.2

11.2.3

Coefficients dynamiques ϕi..................................................................... 198

11.2.4

Charges horizontales exercées par les ponts roulants............................. 201

11.2.4.2

Charges horizontales associées à la marche en crabe du pont roulant.......... 202

11.2.4.1

11.2.4.3

11.2.4.4

Action globale de l’appareil de levage en fonction de la situation de fonctionnement................................................................................... 199

Charges horizontales associées à la marche normale du pont roulant........... 202 Autres charges horizontales exercées par les ponts roulants........................ 203

Cas des monorails et des poutres roulantes suspendues............................... 204

11.2.5

Charges de fatigue exercées par les appareils de levage......................... 204

11.2.6

Cumul des actions de plusieurs ponts roulants....................................... 205

11.3

Actions exercées par les machines..................................................... 205 Index........................................................................................................ 207

220

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Parmi ces textes, les Eurocodes 0 et 1, préalables indispensables aux règles de calcul déclinées matériau par matériau dans les autres Eurocodes, posent les bases de la conception des structures et fixent les modalités de définition et de combinaison des actions et des charges à prendre en compte dans le dimensionnement. La dizaine de normes qui les composent, assorties des annexes nationales qui en précisent les modalités d’application en France, constituent un ensemble particulièrement volumineux et complexe.

Organisé selon la structuration de ces deux Eurocodes, l’ouvrage propose un décryptage pas à pas de ces textes majeurs, destiné à la fois à en faciliter la compréhension et l’appropriation par les praticiens et à constituer une référence consultable à tout moment sur un point particulier.

Illustré par de nombreux tableaux et figures, l’ouvrage inventorie les exigences fondamentales posées pour la conception et le calcul des structures, et les modes de détermination des actions qu’elles doivent supporter (poids propres, charges climatiques, effets de l’incendie, etc.). Il détaille les points de vigilance, les difficultés et les bonnes pratiques pour une application concrète des dispositions prévues par les normes.

Cet ouvrage s’adresse : – aux maîtres d’ouvrage et à leurs assistants (AMO) ; – aux ingénieurs des bureaux d’études ou de contrôle, des cabinets de conseil et d’ingénierie ;

Ingénieur-consultant, enseignant à l’École des Ponts ParisTech (ENPC) et au Centre des hautes études de la construction (CHEC), Pierre Maitre jouit d’une longue expérience professionnelle en matière de conception et de calcul d’ouvrages, notamment à structure métallique. Depuis la toute première phase d’élaboration des Eurocodes, il participe aux groupes de travail français et européens de normalisation. Il est membre de la Commission française de coordination des Eurocodes et président de la Commission de normalisation de la construction métallique et mixte (CNC2M).

Sommaire c c c c c c c c c c c

Généralités sur les Eurocodes Bases du dimensionnement Charges permanentes Charges d’exploitation Charges de neige Actions du vent Actions de la température Actions de l’incendie Actions en cours d’exécution Actions accidentelles Actions des appareils de levage et des machines

ISSN 2262-5089 ISBN 978-2-281-11902-2

E X P E R T I S E T E C H N I Q U E Photographie de couverture © Fotolia.com

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– aux techniciens œuvrant dans les collectivités territoriales et les services déconcentrés ; – aux futurs professionnels et aux stagiaires de la formation continue.

Calcul pratique des actions sur les structures

Les normes européennes dites « Eurocodes », élaborées pour harmoniser les pratiques de dimensionnement, quels que soient le matériau constitutif et le type de construction concerné, constituent désormais le référentiel technique applicable à la conception et au calcul des structures.

Pierre Maitre

Calcul pratique des actions sur les structures

Calcul pratique des actions sur les structures Eurocodes 0 et 1

Pierre Maitre

E X P E R T I S E T E C H N I Q U E EXPERTISE TECHNIQUE

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