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1 Cours – Master I « Constructions métalliques », 2011 CONTROLE DES CONSTRUCTIO

1 Cours – Master I « Constructions métalliques », 2011 CONTROLE DES CONSTRUCTIONS METALLIQUES Ce cours a pour but la maitrise des techniques et des technologies de contrôle des éléments métalliques fabriqués et le diagnostic des pathologies éventuelles. Contenu de la matière : I‐ L’imperfection dans la construction métallique II‐ Historique des matériaux métalliques III‐ Les pathologies dans les constructions métalliques IV‐ Contôle de la soudure V‐ Contôle du boulonnage VI‐ Contrôle du rivetage VII‐ Diagnostic général de la structure VIII‐ Prise de décision et programme d’actions ‐ Méthodologie Par Dr. BOUMECHRA Nadir 2 The first cast iron bridge Coalbrookdale, England (1777‐79) Cast iron façade Haughwout House, New York 3 4 5 6 I‐ L’imperfection dans la construction métallique Imperfections des produits laminés actuels : Tolérance du laminage : 7 8 Contraintes résiduelles : 9 Erreurs de la conception et de l’étude : ‐ Erreurs sur le chargement de la structure ‐ Erreurs dues aux modifications architecturales ‐ Utilisation parfois erronée des logiciels de calcul ‐ Non‐respect des hypothèses de calcul ou de modélisation 10 ‐ Erreurs de dessin et de transcription ‐ Erreurs liées à la réalisation (atelier & chantier) Erreurs au niveau de l’atelier : • Problème de conformité des matériaux utilisés : absence des résultats d‘essais de laboratoire : traction, résilience, dureté, fatigue, etc… •Existence de vice cachés au niveau des matériaux utilisés car malheureusement les essais de conformité demeurent une condition nécessaire mais pas suffisante. •Erreur sur le choix des matériaux (choix de la nuance d’acier, classe des boulons et surtout la classe de qualité)). •Erreur d’identification des pièces à monter. •Erreurs lors de l’opération d’assemblage (soudage et boulonnage). Erreurs au niveau du chantier : • Manque de coordination entre les intervenants • Exemple : Les erreurs d’implantation fréquemment rencontrées au niveau des chantiers de Construction métallique où les tolérances admises par l’entreprise réalisant l’ossature métallique et celle réalisant l’infrastructure, ne sont pas compatibles. Ceci a souvent pour conséquence des difficultés au niveau du montage ainsi que des retards considérables. Sur ce point, il faut associer l’entreprise de CM lors de l’opération de l’implantation. • Erreur d’identification des pièces à monter • Erreur sur le choix des classes géométriques et mécaniques de boulons • Erreur au niveau de la manutention • Nécessité d’un 11 contrôle stricte au niveau des assemblages boulonnés tels les couples de serrage pour les boulons précontraints. • Erreur au niveau du soudage, par exemple le refroidissement rapide qui modifie la texture, donc les caractéristiques de l’acier. Erreurs au niveau du montage : Elles peuvent conduire à des désordres graves dus en particulier à : —un mauvais ordre de montage pouvant générer parfois des accidents sur le chantier notamment en présence du vent ; —des échafaudages et des étais provisoires défectueux ; —une manutention sans se soucier de la résistance propre des éléments. Exemple : Déversement de la poutre porteuse d’une passerelle, de 40 mètres de portée, lors de sa manutention. Méconnaissance des règles de bonne exécution : le personnel d’encadrement du chantier doit posséder la compétence requise. Exemple d’erreurs fréquentes : Exécuter des opérations de soudage dans certaines conditions météorologiques d’intempéries. La négligence : Elle est à l’origine de nombreux sinistres, L’ignorance : Elle est également à l’origine de nombreux sinistres. - Erreurs liées à l’exploitation et à la maitrise d’ouvrage : 12 — Utilisation abusive, non‐conforme au cahier des charges et au plan d’utilisation des locaux; — Absence de budget d’entretien et manque d’entretien favorisant la corrosion, notamment pour les constructions métalliques préfabriquées à usage d’habitation; — Absence de réseaux anti‐incendie — Absence de consignes de sécurité relatives à l’exploitation de l’ouvrage —Obstruction des chéneaux ou des descentes d’eau de pluie : Risque de chargement cumulatif dangereux. — Les Vibrations : Elles peuvent engendrer des desserrages au niveau des boulons (ce qui est dangereux), et peuvent également provoquer la fatigue, ou la résonance. Les remèdes consistent à les atténuer les effets de ces vibrations en modifiant la propagation ou la période des efforts (voir aussi la période de la structure) par : création de points fixes supplémentaires; modification du poids des éléments vibrants; modification du rythme des efforts; utilisation d’appuis antivibratoires; modification de l’inertie des poutres - Les causes accidentelles : Il s’agit ici d’actions prévues dans la note de calcul lors de la conception de la construction, mais dont l’amplitude dépasse les valeurs pour lesquelles elle a été conçue. Ce sont par exemple : —les séismes d’intensités dépassant celles prévues par les cartes de micro zonage sismique et par le règlement parasismique — les vents violents et rafales, entraînant des vitesses dépassant celles prévues par les Règles Neige et Vent ; —des charges de neige excessives pouvant s’exercer sur les toitures dues notamment au phénomène de l’accumulation qui demeure très 13 dangereux. —des tempêtes de sable : des charges du poids excessifs des sables accumulés sur la toiture —les charges d’exploitation dont l’intensité dépasse la valeur en service normal Et également des actions non prévues, par exemple : — les actions de chocs; etc. — des explosions (gaz, bombes, etc.) ; —d’un incendie (si la tenue au feu n’est pas prévue); — des inondations ; — etc… ‐Les effets des actions climatiques : 1‐ Le vent : • Effet de Venturi : La vitesse du vent est augmentée dans les passages resserrés. Les Règles NV tiennent compte de ce phénomène en l’assimilant à la notion de site exposé. • Effet de Karman : L’effet de Karman apporte aux constructions élancées des efforts perpendiculaires à la direction du vent. Il se manifeste à partir d’une vitesse critique de vent, fonction de la période propre de vibration de la construction et de ses caractéristiques géométriques. Ce phénomène est particulièrement à étudier pour les cheminées métalliques et les ponts suspendus. 2‐ La neige : Faire attention au risque d’accumulation en réduisant les hauteurs des acrotères et adoptant des pentes minimales de versants (au moins 5%) et en s’assurant régulièrement du non obstruction de conduites d’évacuation. 3‐ Les Précipitations : Lors de précipitations importantes, des effondrements de toiture ont parfois été provoqués par une évacuation trop lente des eaux. Ce qui engendra des surcharges excessives de l’ossature portante. Le phénomène est «une réaction en chaine» : Plus il y a accumulation d’eau, plus la structure fléchit et plus l’accumulation s’aggrave. 14 II‐ HISTORIQUE DES MATERIAUX METALLIQUES EN CONSTRUCTION METALLIQUE 15 FONTE FER PUDDLE ACIERS ANCIENS ACIERS MODERNES La fonte fut utilisée dans de nombreux ponts au XIXème siècle, mais la plupart des ouvrages eurent une durée de vie limitée. La fonte est en effet un matériau fragile, de faible résistance à la traction. Carbone 3 à 3,5 % Silicium 2 à 3,5 % Fy = 50 à 100 N/mm2 Fu = 100 à 180 N/mm2 Minerai Lorrain carbone 0,01 %, manganèse 0,02 %, phosphore 0,2 %, soufre 0,05 %, silicium 0,2 %. E= 230‐300 N/mm2 Emesurée OA= 170 N/mm2 Fu = 260‐400N/mm2 εu= 10‐20% Longit. εu≈ 0.00 % Transv. Les principaux éléments chimiques sont l'azote, le nickel, le chrome, le cuivre, le phosphore, le soufre. Elle synthétise les procédés d’élaboration des années 1930, procédé Thomas, Thomas enrichi (où l’air insufflé est enrichi en oxygène) et Martin. Ils sont élaborés par les procédés à l’oxygène et les nuances obtenues ne présentent pas de difficultés au soudage. Le viaduc de Millau S460 M et ML (1/3 du tablier) 16 Les règlements Les contraintes admissibles pour les matériaux métalliques par les différents règlements de calcul jusqu’en 1960. 17 En 1973, la norme de référence pour les aciers de construction est la norme NF A 35‐501 Aciers de construction d'usage général. Sur des principes de base établis en 1968, elle comporte quatre nuances d'acier : E 24 (A37), E 26 (A 42), E 30 (A 47) et E 36 (A 52), complétées par les nuances A33, A34, A50, A60 et A70, utilisables principalement en mécano‐soudage. Les épaisseurs maximales considérées sont de 50mm. Une première révision a lieu en 1970, abaissant les teneurs maximales en soufre et phosphore et subdivisant la nuance E 36 en deux : E 36 A, sans changement par rapport à la définition précédente et E 36 B, comportant des additions de dispersoïdes (niobium et vanadium) qui favorisent la soudabilité par abaissement de la teneur en carbone. Simultanément, les épaisseurs maximales sont portées à 150 millimètres. La norme expérimentale A 36‐201 Tôles en aciers soudables à haute limite d'élasticité a été publiée en 1972. La version de juillet 1973 ne comprend donc plus qu'une seule nuance E 36, au carbone et manganèse, la nuance à dispersoïdes étant incorporée dans la norme ci‐dessus. En 1981, les procédés Thomas et Martin ont disparu au profit de l'aciérie à l'oxygène et de la filière à l'arc électrique. 18 III‐ Les pathologies dans les constructions métalliques III.1 ‐ DÉFAUTS RENCONTRÉS SUR MATÉRIAUX MÉTALLIQUES ANCIENS 19 20 III.2 – LA CORROSION La rouille ‐ exemple familier de corrosion Les antifoolings : la corrosion des coques de bateaux Effondrement du Silver Bridge ('Ohio, Etats‐Unis) suite à la uploads/Ingenierie_Lourd/ controle-des-constructions-metalliques.pdf