Considérez la charpente d'un gratte-ciel ou l'épine dorsale d'un pont - comment ces structures maintiennent-elles la stabilité et la sécurité tout en supportant d'énormes charges ? La réponse réside souvent dans une conception structurelle sophistiquée, en particulier dans la conception des poutres en acier et des poutres mixtes. Cet article explore les principes fondamentaux, les processus de conception et les applications pratiques des poutres en acier et des poutres mixtes, servant de référence complète pour les ingénieurs et les architectes.

Dans la construction moderne et le génie des ponts, les poutres en acier sont largement utilisées en raison de leur haute résistance, de leur ductilité et de leur facilité de fabrication. Cependant, les poutres en acier conventionnelles peuvent ne pas toujours répondre aux exigences de performance structurelle. Les poutres mixtes ont été développées pour améliorer la capacité portante, réduire la déformation et optimiser l'efficacité des matériaux en combinant efficacement les poutres en acier avec des dalles de béton pour former un système structurel intégré qui capitalise sur les avantages des deux matériaux.

La conception des poutres en acier constitue la base du génie structurel. En tant que composants structurels qui supportent des charges transversales, les poutres en acier résistent principalement aux efforts tranchants et aux moments fléchissants. L'objectif de la conception est de sélectionner des formes et des dimensions de section transversale appropriées tout en effectuant les vérifications nécessaires pour répondre aux exigences de résistance, de stabilité et de déformation.

Les poutres en acier se présentent sous diverses formes de section transversale, notamment les poutres en I, les poutres en profilé en U et les poutres caissons. Les poutres en I sont particulièrement courantes en raison de leur excellente résistance à la flexion et de leur rentabilité. La sélection de la section nécessite une prise en compte globale de l'ampleur de la charge, de la portée, des conditions d'appui et de la résistance des matériaux. Généralement, des charges et des portées plus importantes nécessitent des sections transversales plus grandes.

La vérification de la résistance représente le cœur de la conception des poutres en acier. Étant donné que les poutres en acier doivent résister à la fois aux efforts de flexion et aux efforts tranchants, des vérifications distinctes sont requises pour la résistance à la flexion et la résistance au cisaillement.

• Vérification de la résistance à la flexion : Cela évalue la résistance d'une poutre à la déformation par flexion, en tenant compte de la limite d'élasticité de l'acier, du développement plastique de la section transversale et des modes de flambement potentiels. Pour les poutres conçues plastiquement, la vérification garantit que la section peut former des rotules plastiques avec une capacité de rotation adéquate. Pour les poutres conçues élastiquement, la vérification confirme que les contraintes maximales ne dépassent pas les limites admissibles.
• Vérification de la résistance au cisaillement : Cela évalue la résistance à la déformation par cisaillement, en tenant compte de la résistance au cisaillement de l'acier et de la surface de cisaillement de la section. Pour les poutres à âme mince, la stabilité au flambement de l'âme doit également être vérifiée.

La stabilité fait référence à la capacité d'une poutre à maintenir l'équilibre sous charge. Les modes de flambement potentiels incluent :

• Flambement global : Implique le flambement latéral-torsionnel de l'ensemble de la poutre, influencé par les propriétés de la section, la portée, les conditions d'appui et le contreventement latéral. Les stratégies d'atténuation incluent la réduction de la portée, l'augmentation de la rigidité torsionnelle ou l'ajout de supports latéraux.
• Flambement local : Se produit lorsque des composants individuels (semelles ou âme) flambent. La contrainte critique dépend des rapports largeur/épaisseur. Les méthodes de prévention incluent la réduction de ces rapports, l'augmentation de l'épaisseur des composants ou l'ajout de raidisseurs.

La déformation fait référence à la déformation sous charge. Une déformation excessive peut nuire à la fonctionnalité et à l'esthétique. La vérification implique de limiter la déformation maximale conformément aux exigences du code. Les stratégies de réduction incluent l'augmentation du moment d'inertie de la section, la diminution de la portée ou l'amélioration de la rigidité des appuis.

Les poutres mixtes intègrent des poutres en acier avec des dalles de béton par le biais de connecteurs mécaniques, combinant la résistance à la traction de l'acier avec la résistance à la compression du béton pour obtenir une capacité de charge élevée, une rigidité substantielle et un poids réduit.

La conception des poutres mixtes suit ces principes fondamentaux :

• Action composite : Les connecteurs unissent les composants en acier et en béton pour qu'ils fonctionnent à l'unisson sous charge.
• Répartition des contraintes : Les contraintes induites par la charge se répartissent de manière appropriée entre les matériaux pour maximiser leurs résistances respectives.
• Transfert de cisaillement : Les connecteurs transmettent les efforts tranchants entre les matériaux pour maintenir l'action composite.

Les connecteurs sont des composants critiques qui transfèrent le cisaillement entre l'acier et le béton. Les types courants incluent les goujons à tête, les profilés en U et les barres d'armature. Les exigences de conception incluent :

• Résistance : Résistance au cisaillement adéquate pour transférer les efforts tranchants maximaux.
• Rigidité : Rigidité suffisante pour assurer l'action composite.
• Durabilité : Résistance à la corrosion environnementale et à la fatigue.

Étant donné que les dalles de béton sont généralement plus larges que les poutres en acier, tout le béton ne participe pas de manière égale à l'action composite. La largeur efficace fait référence à la partie supposée travailler en composite avec la poutre en acier, déterminée par les dispositions du code en tenant compte de la portée, de l'espacement des poutres et de l'épaisseur de la dalle.

La vérification de la résistance des poutres mixtes comprend :

• Résistance à la flexion : Tient compte de la limite d'élasticité de l'acier, de la résistance à la compression du béton, de la résistance au cisaillement des connecteurs et du développement de la section plastique. Les calculs varient en fonction de l'emplacement de l'axe neutre plastique (dans la dalle de béton, la semelle en acier ou l'âme en acier).
• Résistance au cisaillement : Évalue la capacité au cisaillement de la poutre en acier et la résistance au cisaillement des connecteurs, avec des vérifications supplémentaires du flambement de l'âme pour les poutres à âme mince.

Comme pour les poutres en acier, la déformation des poutres mixtes doit être conforme aux limites du code. Leur plus grande rigidité se traduit généralement par des déformations plus faibles.

Les pratiques de construction ont un impact significatif sur la performance finale. Les facteurs clés incluent :

• Charges de construction : Les poutres en acier doivent supporter les charges de construction (poids propre, béton frais, ouvriers et équipements) avant le durcissement du béton, ce qui nécessite une résistance et une stabilité temporaires adéquates.
• Méthodes de coffrage : La construction étayée utilise des supports temporaires pendant la mise en place du béton, tandis que la construction non étayée repose uniquement sur la poutre en acier. La construction non étayée accélère les calendriers, mais exige une vérification plus rigoureuse des poutres.
• Installation des connecteurs : Un positionnement correct, une qualité de soudure et une protection contre la corrosion sont essentiels pour la performance.

En fonction de la capacité au cisaillement des connecteurs, les poutres mixtes sont classées comme :

• Action composite complète : Les connecteurs transfèrent tout le cisaillement, obtenant une interaction complète et une capacité maximale.
• Action composite partielle : Les connecteurs ne transfèrent qu'une partie du cisaillement, ce qui entraîne une capacité réduite, mais potentiellement des quantités et des coûts de connecteurs inférieurs.

Dans les poutres continues ou les cadres, les moments négatifs provoquent une traction en haut et une compression en bas. La résistance repose sur la poutre en acier et l'armature, car la résistance à la traction du béton est négligeable. Les méthodes d'amélioration incluent l'augmentation de la taille de la section en acier, l'ajout d'armature ou l'utilisation de barres d'armature à haute résistance.

Les codes de conception en acier fournissent des directives essentielles. En Chine, la référence principale est GB 50017 (Code de conception des structures en acier), qui spécifie la sélection des matériaux, la conception des sections, la vérification de la résistance, les contrôles de stabilité et la conception des connexions. Le respect strict du code garantit la sécurité structurelle.

Des logiciels spécialisés comme ASDIP STEEL améliorent l'efficacité et la précision de la conception des poutres en acier et des poutres mixtes, offrant :

• Des capacités complètes pour divers types de poutres (simples, continues, en porte-à-faux, encadrées)
• Une interface conviviale
• Des méthodes de calcul avancées
• Des rapports détaillés (calculs, résultats de vérification, quantités de matériaux)

Les poutres en acier et les poutres mixtes sont indispensables dans la construction moderne et le génie des ponts. En comprenant parfaitement leurs principes de conception et leurs applications, et en tirant parti des outils avancés, les professionnels peuvent créer des structures plus sûres, plus économiques et plus esthétiques. À mesure que la technologie progresse, la conception en acier évolue vers une plus grande intelligence et précision, tandis que les considérations de durabilité favorisent les matériaux et les processus respectueux de l'environnement. Avec la modélisation des informations du bâtiment (BIM) permettant une meilleure coordination interdisciplinaire, les structures en acier continueront de jouer un rôle essentiel dans la conception de l'environnement bâti.