Neuf points clés pour la conception et la construction de bâtiments d'usine à structure métallique

Bâtiments d'usine à structure métalliqueont été largement reconnus dans l'ingénierie de la construction car ils sont rapides à construire, légers, ont de bonnes performances sismiques et sont respectueux de l'environnement. Dans la conception des bâtiments industriels, ils ont progressivement remplacé la structure plus lourde en béton armé.

Les structures en acier ne sont plus utilisées en Chine depuis longtemps et leurs techniques de conception détaillée et de construction sont encore en cours de développement. Bien que les bâtiments industriels à structure en acier offrent de nombreux avantages, l’acier en tant que matériau présente également des inconvénients, par exemple une mauvaise résistance au feu et une tendance à la corrosion. Ces facteurs doivent être pris en compte tant lors des phases de conception que de construction.

I. Les principaux avantages des bâtiments d'usine à structure métallique

Comme mentionné dans le résumé, les principaux avantages debâtiments industriels à structure métalliquesont les suivants. Premièrement, en termes de rapidité de construction : les composants en acier peuvent être produits en série dans une usine ; la construction est simple et le montage est rapide, ce qui réduit considérablement la période de construction. Deuxièmement, en termes de poids propre : le poids structurel du bâtiment peut être réduit d'environ 30 % ; ceci est particulièrement économique sur les sites à faible capacité portante des fondations ou à forte intensité de fortification sismique, où l'économie globale est meilleure que celle des systèmes structurels en béton armé. Enfin, en termes de protection de l'environnement : les structures en acier appartiennent à la famille des systèmes de construction écologiques et écologiques ; l'acier lui-même est un matériau à haute résistance et à haut rendement avec une valeur de recyclage élevée, et il ne nécessite pas de coffrage pendant la construction.

II. L'importance de la conception de dessins

Les dessins sont la base de la construction de tout projet. Pendant la phase de conception d'un bâtiment industriel à structure en acier, les techniciens professionnels de l'unité de construction doivent être organisés pour effectuer une revue conjointe des dessins, en vérifiant les dessins pour détecter « les erreurs, les omissions, les collisions et les défauts » afin que les problèmes soient résolus avant le début de la construction et que l'impact des problèmes de dessin sur la qualité et le calendrier soit réduit au minimum. Pour un projet de structure en acier, des conceptions d'organisation de construction distinctes doivent être préparées pour la phase de fabrication et la phase de montage ; le document sur le processus de fabrication doit couvrir les normes de qualité et les exigences techniques de chaque processus et sous-élément de la phase de fabrication, ainsi que les mesures spécifiques adoptées pour garantir la qualité du produit.

III. Principes de conception du système de contreventement

Pour assurer le comportement spatial du bâtiment, améliorer sa rigidité globale, résister et transmettre les efforts horizontaux longitudinaux, prévenir les déformations excessives des éléments, éviter le flambage des éléments de compression et garantir la stabilité globale de la structure, un système de contreventement fiable doit être disposé en fonction de la forme structurelle du bâtiment, de la disposition des grues, des équipements vibrants, de la portée et de la hauteur de l'atelier et de la longueur de chaque zone de température. Chaque zone de température doit être dotée d'un système de contreventement inter-colonnes stable, disposé en coordination avec le contreventement horizontal latéral du toit. La position du contreventement de la colonne inférieure est un facteur clé qui détermine la direction de la déformation longitudinale et affecte l'ampleur de la contrainte thermique ; le contreventement de la colonne inférieure doit être placé aussi près que possible du milieu de la zone de température, afin que les éléments longitudinaux tels que les poutres de grue puissent se dilater et se contracter librement vers les deux extrémités lorsque la température change. Lorsque la zone de température est courte, un seul ensemble de contreventements de colonne inférieure est généralement placé au milieu. Cependant, lorsque la zone de température est supérieure à 150 m, deux jeux de contreventements de poteaux inférieurs doivent être installés à l'intérieur de la zone pour assurer la rigidité longitudinale ; ils doivent être placés autant que possible dans le tiers médian de la zone de température et la distance centre à centre entre les deux ensembles ne doit pas dépasser 72 m, afin d'éviter des contraintes thermiques excessives.

IV. Points clés pour la conception sismique

Lors de la conception sismique d’un bâtiment industriel à structure métallique, les points suivants doivent être pris en compte. Premièrement, en termes de disposition générale, la masse et la rigidité de la structure doivent être uniformément réparties afin que le bâtiment soit chargé uniformément et se déforme de manière coordonnée ; une rigidité inégale doit être évitée, car elle a un effet défavorable sur les performances sismiques. Pour la structure transversale, un cadre rigide, ou un cadre dans lequel la ferme de toit est reliée rigidement aux colonnes, doit être adopté, de manière à exploiter pleinement les performances portantes de l'acier et à réduire la déformation transversale. Deuxièmement, les bâtiments à structure en acier échouent généralement non pas parce que la résistance des éléments est insuffisante, mais parce que les éléments se déforment ; par conséquent, un système de contreventement bien agencé garantissant la stabilité globale du bâtiment est particulièrement important. Enfin, sous l'action d'un tremblement de terre, une fatigue à faible cycle se produit et son effet sur le bâtiment doit être pris en compte lors de la conception. La conception des assemblages structurels doit garantir que la rupture des joints ne se produit pas avant la déformation de la section complète des éléments structurels ; les membres devraient être autorisés à entrer dans la phase plastique afin qu'ils puissent absorber pleinement l'énergie sismique et développer leur capacité sismique.

V. L'importance de la conception résistante à la chaleur et au feu

Bâtiments industriels à structure métalliqueont une mauvaise résistance au feu. Lorsque l’acier est chauffé au-dessus de 100 °C, sa résistance à la traction diminue et sa plasticité augmente à mesure que la température augmente. Vers 250 °C, la résistance à la traction de l'acier augmente légèrement tandis que sa plasticité diminue, phénomène connu sous le nom de fragilité bleue. Au-dessus de 250 °C, l'acier commence à fluer. À environ 500 °C, la résistance de l’acier chute si bas que la structure en acier peut s’effondrer. Par conséquent, chaque fois que la température de surface d'une structure en acier dépasse 150 °C, une isolation thermique et une conception de protection contre l'incendie doivent être prévues (généralement obtenues en appliquant des revêtements de protection contre l'incendie et résistants à la chaleur).

Dans la construction debâtiments industriels à structure métallique, de nombreux problèmes pratiques se posent ; nous analysons ici uniquement les plus importants.

VI. Encastrement des boulons d'ancrage pendant la construction

On peut dire que la solidité des boulons d’ancrage est fondamentale pour la stabilité d’un bâtiment industriel à structure en acier. La précision des boulons d'ancrage affecte directement le positionnement de la structure en acier. Les boulons d'ancrage doivent être encastrés avec une précision stricte : écart d'axe ±2,0 mm et élévation ±5,0 mm. Avant d'installer les boulons d'ancrage de la colonne, projetez chaque axe du réseau de contrôle horizontal sur la surface supérieure de la fondation de la colonne et fermez la boucle, de manière à garantir la précision d'installation des boulons ; marquez ensuite les bords extérieurs des colonnes selon les axes. Une fois le cadre de support (étaiement) pour les boulons d'ancrage de la colonne érigé, transférez l'élévation requise sur le cadre en tube d'acier. 

VII. Précautions pendant le levage

Les principales précautions sont les suivantes. Tout d'abord, marquez les lignes médianes transversales sur la plaque de base du pied de colonne et les lignes médianes des boulons d'ancrage, puis nettoyez les trous de cisaillement dans la base de la colonne ; une fois la colonne en acier en place, ajustez son élévation et serrez les écrous. Deuxièmement, une fois les colonnes en acier érigées dans une zone, installez les tirants (éléments de connexion) de manière à assurer la stabilité globale des colonnes et à les empêcher de se déformer lorsque les poutres en acier sont levées. Enfin, hissez les poutres en acier : connectez les paires de poutres en l'air et effectuez le serrage initial des boulons à haute résistance ; la première poutre doit être fixée avec quatre haubans pour l'empêcher de basculer d'un côté.

VIII. Difficultés d'installation du système de poutre de grue

Lors de la construction, les poutres de grue doivent être installées strictement à partir de la travée contreventée, conformément au devis. Une fois le contreventement inter-colonnes installé et connecté, il forme une unité de rigidité spatiale relativement stable ; l'installation à partir de cette travée est plus sûre et garantit également que le montage des poutres de la grue n'affecte pas la verticalité des colonnes. Lors de l'installation, des plaques de calage doivent être placées sous les poutres de grue présentant de grands écarts de section d'extrémité ; ces cales doivent être soudées en place après que le système de poutres de grue ait été ajusté, et les poutres doivent être alignées précisément contre les lignes de positionnement prédéfinies. Le système de freinage ne doit être formellement connecté qu'après que les poutres de la grue ont été ajustées et fixées. Lorsque la plaque de frein est reliée à la poutre de grue par des boulons à haute résistance et à la ferme auxiliaire par soudage, la séquence est importante : connectez d'abord la plaque de frein à la poutre de grue avec des boulons à haute résistance et effectuez le serrage initial ; puis ajustez la ferme auxiliaire, soudez-la à la plaque de frein et effectuez le serrage final des boulons à haute résistance ; enfin, soudez la plaque de frein à la ferme auxiliaire. Le serrage des boulons à haute résistance et le soudage de la plaque de frein doivent s'effectuer du centre de chaque plaque vers les deux bords, afin de réduire les contraintes internes dans la plaque.

IX. Empilage de composants en acier

Pour faciliter le montage, les composants en acier doivent être empilés de manière raisonnable après leur arrivée sur site. Les principes sont les suivants : les composants dont le montage est urgent doivent être empilés directement sur le site, en suivant la séquence de levage : ceux qui doivent être hissés vont d'abord en haut, et ceux qui doivent être hissés plus tard vont en bas ; les composants qui ne sont pas nécessaires de manière urgente doivent être temporairement stockés hors site. Lors de l'empilement, séparez les colonnes et les poutres et empilez-les par axe. Le parc de stockage doit être géré par du personnel désigné ; les composants doivent être imputés aux exigences d'approvisionnement et à la liste de livraison, et les registres doivent être archivés. Les profilés en H doivent être stockés debout, jamais à plat. Chaque composant doit être appuyé sur au moins deux points ; les points d'appui doivent être situés à environ un septième de la portée des extrémités des éléments. Lors de l'empilement en couches, pas plus de trois couches sont autorisées ; les blocs de bois doivent être placés correctement entre les couches pour les maintenir au niveau, et les points d'appui doivent s'aligner verticalement.