Une connaissance suffisante des normes et codes de conception les plus récents et applicables permet à un ingénieur en structures de préparer des solutions de conception rentables et sûres pour différentes structures. Essentiellement, les structures comme les bâtiments en béton et en acier doivent être conçues pour résister aux forces exercées dans diverses combinaisons/conditions de chargement. Cela est particulièrement vrai pour les sites de projets où des catastrophes naturelles telles que des tempêtes/typhons et des tremblements de terre se produisent fréquemment.
Quatre (4) cas de charge de base sont pris en compte lors de la conception de bâtiments en acier. Les deux premiers sont principalement appliqués dans le sens de la gravité, tandis que les charges suivantes sont principalement appliquées dans le sens latéral. Une explication supplémentaire de ces cas de charge de base est la suivante:
1. Charges Mortes (D)
Les charges mortes sont des charges appliquées à la structure dans la direction de la gravité. Il s’agit notamment du poids de la structure (construction permanente), et d’autres matériaux fixés en permanence sur la structure.
2. Charges sous Tension (L)
Les charges réelles sont également appliquées dans la direction de la gravité. Ces charges sont calculées en fonction de l’occupation de la structure. Les charges sous tension peuvent varier à différents endroits de la structure. Par exemple, l’ampleur de la charge réelle pour un espace de bureau/une pièce doit être différente de celle de l’aire d’entreposage d’un bâtiment particulier.
3. Charges de Vent (W)
Les charges de vent sont une combinaison de charges latérales et verticales appliquées sur les surfaces de contact du bâtiment. Le calcul de la charge de vent pour une structure spécifique prend en compte plusieurs facteurs. La géométrie de la structure, la vitesse maximale du vent sur le site du projet, la catégorie d'exposition, l'effet de rafale, la directivité et la topographie ne sont que quelques-uns des principaux facteurs à prendre en compte lors de la conception des bâtiments.
4. Charges Sismiques (E)
Les charges de tremblement de terre/sismiques sont des forces calculées en raison des événements sismiques auxquels la structure sera soumise. Des facteurs tels que la source sismique la plus proche, la magnitude du séisme, le type de sol et le type de système de résistance aux forces sismiques à utiliser sont quelques-uns des facteurs à prendre en compte dans le calcul des charges sismiques de conception pour une structure.
Le principe de base de la conception structurelle est de sélectionner la meilleure section d'un élément structurel qui peut résister de manière sûre et économique aux charges qui lui sont appliquées. Ces charges comprennent diverses combinaisons de gravité et de forces latérales conformément aux dispositions du code de référence. Un profilé en acier de construction est considéré comme économique s'il peut résister aux charges tout en conservant un poids propre optimal (généralement exprimé en masse par unité de longueur). Un poids propre optimisé de la section implique que des sections en acier plus légères doivent être fabriquées et réduit efficacement le coût des matériaux. À l'heure actuelle, deux philosophies de conception sont utilisées lors de la conception de structures en acier. Il s'agit de la méthode de calcul des contraintes admissibles (ASD) et de la méthode de calcul du facteur de charge et de résistance (LRFD).
Dans la méthode de conception des contraintes admissibles, la section d'acier à choisir doit avoir des propriétés de section transversale (c.-à-d. surface et moment d'inertie) suffisantes pour résister aux charges maximales appliquées sous une valeur admissible. Les charges appliquées peuvent se présenter sous la forme de forces axiales de compression ou de traction, de forces de cisaillement, de moments de flexion et de torsion. Chaque forme de la charge appliquée est comparée à une valeur admissible de résistance à la section.
Cette valeur admissible est appelée résistance admissible. La résistance admissible est définie en divisant la résistance nominale de la section d’acier par un facteur de sécurité (FS).
The value of FS varies for different types of loading conditions. For example, the safety factor for bending moment capacity shall be different from the factor of safety for shear capacity of the section.
Dans la conception du facteur de charge et de résistance, on tient compte de la résistance de la section d’un élément dans des conditions de défaillance. Le processus de conception sous LRFD se fait en prenant la somme des charges de service appliquées et en la multipliant par un facteur de charge individuel pour chaque type de charge. Les charges factorisées sont ensuite appliquées à la structure. La sélection de la taille des barres est déterminée en calculant la résistance de la section d’acier choisie et en la multipliant par un facteur de réduction. Pour mieux illustrer cela, le principe de travail derrière LRFD est exprimé comme suit :
Les charges pondérées sont habituellement supérieures aux charges de service, ce qui fait que les facteurs de charge sont supérieurs à 1,0. La résistance pondérée est toujours inférieure à la résistance nominale de la section d’acier, ce qui rend le facteur de résistance inférieur à 1,0.
À ce stade, la discussion a porté sur la détermination de la résistance sectionnelle d'un élément structurel. Bien que répondant aux exigences de résistance des charges appliquées, la facilité d'entretien est également un critère important pour déterminer la bonne conception d'une structure. Deux des facteurs les plus courants à prendre en compte dans la facilité d'entretien sont la déviation des membres et la dérive de l'histoire. Selon le code de conception régissant, le critère de déviation est satisfait en prenant la déviation maximale d'un élément structurel due aux charges appliquées et en la comparant à la déviation admissible prescrite dans le code. La déviation admissible est exprimée en une fraction de la longueur non supportée de l'élément. Cette fraction varie également en fonction de la condition de charge considérée (par exemple, D seulement, L seulement, D plus L).
Le deuxième facteur pris en compte lors de la vérification de l'état de fonctionnement est la dérive de la structure. La dérive est définie comme le déplacement latéral du bâtiment lorsqu'il est soumis à des combinaisons de charges impliquant des charges transitoires (charges de vent et de tremblement de terre). En pratique, la dérive est calculée au niveau des joints poutre-colonne de la structure, par plancher. Le déplacement d'un joint sur un étage par rapport à un étage en dessous s'appelle la dérive inter-étages.
Pour les combinaisons de charges de service impliquant des charges de vent, la dérive inter-étages admissible est évaluée à H/600 à H/400, où H est la hauteur de l’étage. La valeur admissible est mentionnée à l’annexe CC (Considérations relatives à l’état de service) de l’ASCE 7-16 (Charges nominales minimales pour les bâtiments et autres structures).
Pour les combinaisons de charges de service impliquant des charges sismiques/sismiques, la dérive sismique inter-étages ne doit pas être supérieure à 2,50 % de la hauteur de l’étage considérée pour les structures dont la période fondamentale est inférieure à 0,70 s. Pour les structures dont la période fondamentale est égale ou supérieure à 0,70 s, la dérive sismique inter-étages ne doit pas être supérieure à 2,00 % de la hauteur de l’étage considérée. La dérive sismique est de nature inélastique en raison de la réponse inélastique du système de résistance à la force sismique. La dérive inélastique est calculée à l’aide de l’équation suivante :
Où Δm est la dérive inélastique, R est le facteur de modification de la réponse sismique et Δs est la dérive élastique. Les limites de dérive prescrites étaient fondées sur des études qui déterminent la tolérance des éléments structuraux et non structuraux d'un bâtiment aux déplacements latéraux lors d'événements sismiques.
Il est important de tenir compte de la sécurité et de l’économie lors de la conception de bâtiments de tout type de matériaux (c.-à-d. béton armé, acier de construction, ou une combinaison des deux). Ces deux facteurs devraient aller de pair pour arriver à des conceptions de bâtiments efficaces et diversifiées. L’Ingénieur Structurel doit respecter les limites de résistance de section et de bon fonctionnement prescrites par les codes structurels locaux/gouvernants, en particulier pour les zones fréquemment touchées par des catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre et les forts typhons. La mise en œuvre rigoureuse de ces codes de conception assure le rendement optimal du bâtiment tout en maintenant la sécurité et le bien-être du grand public.
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