CONSTRUCTIONS MÉTALLIQUES


CONSTRUCTIONS MÉTALLIQUES
CONSTRUCTIONS MÉTALLIQUES

Les constructions métalliques constituent un domaine important d’utilisation des produits laminés sortis de la forge. Elles emploient, en particulier, les tôles et les profilés. Les structures constituées à partir de ces éléments nécessitent des opérations préalables de découpage, de perçage et de soudure en usine. Les opérations sur site sont limitées à des assemblages de modules primaires après des opérations de levage ou de ripage, permettant de rapprocher les zones d’assemblage. Le coût élevé des matériaux de base conduit à rechercher le poids minimal et à développer l’emploi de l’acier pour des domaines très spécifiques permettant de mettre en valeur les qualités suivantes: la légèreté, la rapidité de mise en œuvre, l’adaptation aux transformations ultérieures et les propriétés mécaniques élevées (limite élastique, ductilité, résistance à la fatigue).

Les domaines d’application des constructions métalliques sont très nombreux. Ils concernent d’abord les bâtiments et les ouvrages d’art (ponts, grandes couvertures). Dans le cas des bâtiments, les halles industrielles (fig. 1) lourdes (aciéries) ou légères (usines de transformation ou de stockage) constituent un secteur où l’emploi de l’acier est fréquent pour la réalisation des ossatures et des bardages recouvrant celles-ci, et pour l’utilisation de ponts roulants. Même dans les pays en voie de développement, les charpentes industrielles se montrent compétitives, grâce à la facilité du montage et de l’expédition des éléments constitutifs par voie maritime ou terrestre. Les tours d’immeubles, nombreuses aux États-Unis, mettent en lumière l’intérêt de la rapidité du montage, qui permet d’économiser des frais financiers importants par rapport à des solutions plus traditionnelles. Les ponts et les passerelles forment un secteur de pointe dans lequel on distingue les ponts suspendus de grande portée et les ouvrages démontables ou déplaçables. Malgré le caractère spectaculaire de certains exemples (ponts sur le Bosphore, en Turquie, ou de Verrazzano, aux États-Unis), il s’agit d’un domaine limité au point de vue économique.

Parmi les constructions dont le développement mérite d’être connu, il est nécessaire de présenter les structures marines mobiles ou fixes utilisées pour l’exploitation des champs pétrolifères en mer. Il s’agit d’ensembles formés de tubes et de tôles raidies, devant résister à l’action des vents et de la houle en mer ouverte. Des plates-formes placées dans 300 mètres d’eau et pesant jusqu’à 40 000 tonnes ont été installées au large des côtes américaines. Ces tours analogues à la tour Eiffel doivent supporter en tête des charges d’exploitation de 20 000 à 30 000 tonnes. Les aciers, par leurs épaisseurs d’emploi et leurs caractéristiques, limitent les profondeurs d’eau possibles. Les résultats obtenus en construction navale (bathysphère) peuvent servir de modèles au point de vue technologique. Les réalisations en mers profondes et soumises à des vents violents qui se sont multipliées – mer du Nord, océan Atlantique au large des côtes du Brésil – ont permis de confirmer la validité des conceptions tubulaires. Des secteurs de recherche se sont ouverts, notamment dans les zones froides (Canada et mer de Barents). Les problèmes posés par les glaces et les températures ambiantes peuvent être résolus grâce à des aciers au nickel (vanadium). Les supports flottants permettant la prospection se sont également multipliés et l’idée d’usines préfabriquées, construites sur barge, remorquées jusqu’au site définitif s’est concrétisée: quelques unités électriques, des usines de pâte à papier, par exemple, ont déjà fait l’objet d’applications.

Un secteur traditionnel a connu une expansion continue: il s’agit de la chaudronnerie et de la tuyauterie utilisées dans la construction des centrales nucléaires. L’application de base est le réservoir à pression contenant un gaz ou servant à des réactions chimiques (crackage). La qualité de la réalisation et le choix d’un acier ductile priment sur les calculs. Les notions de sécurité et de contrôle de qualité sont fondamentales, elles conduisent à la prédominance du label de qualité décerné à l’usine produisant le réservoir. Les problèmes posés par le nucléaire ont renforcé l’importance de ces impératifs: les usines d’enrichissement par diffusion gazeuse et les circuits primaires et secondaires, ainsi que les ensembles P.W.R. (pressurised water reactor ), sont les domaines d’élection des aciers mis en œuvre avec un contrôle de qualité aux procédures complexes, qui ont pour objet de prévoir les mesures nécessaires en cas de défaut de fabrication. Ajoutons que les aciers utilisés sont souvent du type inoxydable et que la mise en œuvre de ceux-ci conduit à des ateliers «propres», sans poussière.

La construction métallique permet de mettre en œuvre des systèmes mécaniques à mouvement lent ou rapide. Les dispositifs font appel soit au principe du pont roulant, soit à celui de la crémaillère, soit à des vérins. Les pièces réalisées doivent résister à des efforts de fatigue avec des pressions de contact plus ou moins importantes. Les applications sont très nombreuses dans l’industrie minière (tapis évacuant le minerai) ou dans la sidérurgie. Dans les constructions marines, les plates-formes auto-élévatrices comportent des jambes descendant dans 100 mètres d’eau et utilisent des systèmes auto-élévateurs avec crémaillères, qui permettent à la plate-forme de travail de se mettre hors d’eau et de se maintenir en position malgré les tassements supportés par les jambes. La crémaillère, en plus de ses propriétés mécaniques, participe à la résistance de compression générale et doit être le plus légère possible. Toutes ces données contradictoires conduisent à un acier à haute limite (limite élastique 686 newtons par millimètre carré) et autotrempé pour lequel les procédures de découpage et de soudure doivent être étudiées pour éviter de détruire les qualités mécaniques attendues.

Enfin, les menuiseries métalliques, les revêtements, bardage ou couverture en façades, constituent des éléments ne participant pas à la résistance d’ensemble, mais leur importance économique est très grande.

1. Les produits de base

L’acier est livré au constructeur sous forme de profilés. Ceux-ci comportent des profilés normalisés, IPE (profil européen en forme de I), utilisés pour les éléments sollicités en flexion, HE (en forme de E), utilisés pour ceux qui sont sollicités en compression, U (en forme de U), permettant de reconstituer des profils, des cornières en forme d’équerre, à ailes égales ou inégales, servant à constituer les parties élémentaires des poutres triangulées des fermes industrielles, des tubes servant aux constructions tubulaires spatiales ou non.

Les gammes de fabrication et les tableaux de normalisation montrent que certaines dimensions ne peuvent être dépassées. Par exemple, le profil IPE 500, dont la hauteur est de 500 millimètres, est celui qui est placé en sommet de gamme. Au-delà de cette dimension, sauf fabrication particulière, il est possible de se procurer des poutrelles reconstituées soudées (hauteur maximale de 1 200 mm à 1 500 mm), fabriquées en atelier grâce à des machines à souder semi-automatiques réalisant les cordons latéraux de jonction «semelles âmes».

Pour des fabrications complexes – poutres reconstituées, caissons, réservoirs – la tôle constitue un élément de base. Suivant l’épaisseur, plusieurs types de construction sont à envisager. Si la tôle est un feuillard (épaisseur évaluée en dixièmes de millimètre), des déformations du type ondulation donnent une certaine raideur; la tôle sert soit de coffrages perdus pour le coulage du béton, soit comme couvertures sèches ou munies d’une étanchéité ou d’une isolation, soit comme bardage; les éléments étant suspendus, le recouvrement des tôles se fait sur plusieurs ondes et des rivets de fixation permettent de solidariser l’ensemble. Si la tôle a une épaisseur comprise entre 5 et 20 millimètres, on a une tôle moyenne. La mise à dimensions s’obtient par oxycoupage. Si les surfaces recherchées sont gauches (bordés de navires), on utilise des chaudes de retrait (chauffage de zones partielles au chalumeau et refroidissement contrôlé des zones traitées). Pour certaines formes (calotte de réservoir), il faut employer des déformations mécaniques mettant en jeu des techniques d’emboutissage ou de roulage (pour les tubes de fortes épaisseurs, utilisés notamment dans les plates-formes marines).

D’autres produits particuliers sont à citer : parmi ceux-ci, les rails servant à la construction ferroviaire, mais également de supports aux boggies des ponts roulants pour le levage et la translation des pièces dans les halles industrielles. Citons également les fils et les câbles qui ont la propriété de ne pouvoir contribuer à la résistance mécanique que s’ils sont tendus. Les câbles présentent, dans le cas de systèmes toronnés, des modules d’élasticité apparents (module de la barre équivalente en traction) plus faibles que celui de l’acier et variables avec la longueur et la tension des fils. L’absence de ductilité conduit à des calculs mettant en jeu la résistance à la rupture et les risques de fatigue en cas d’alternance d’efforts. Les applications sont nombreuses.

Dans les opérations de montage, le câble demeure un élément important pour la stabilisation et le levage. Dans les structures définitives, le câble sert de support à des toitures (halles d’expositions) contribuant à la résistance d’ensemble; c’est le cas de ponts à haubans ou suspendus. Il ne faut pas oublier l’emploi de câbles pour les amarres dans les structures marines. Une force développée en traction pourra varier de quelques dizaines de tonnes à 1 600 tonnes (câble d’amarrage puissant). Les produits décrits ci-dessus font appel à des aciers pouvant avoir des caractéristiques mécaniques très différentes et adaptées aux constructions étudiées. La limite élastique des aciers de construction est en général de l’ordre de 235 newtons par millimètre carré. Pour des structures comme les ponts, la limite est plus élevée et atteint 350 newtons par millimètre carré. La ductilité de ces aciers se mesure grâce à l’allongement à rupture pouvant dépasser 20 p. 100. Le développement de structures très performantes (pylône de ponts à haubans, semelles de poutres de pont de grande portée) a conduit à l’utilisation d’aciers ayant une limite élastique de 686 newtons par millimètre carré. Dans les structures marines, divers emplois peuvent être décrits (cf. supra ).

Le laminage des tôles conduit à de bonnes caractéristiques pour des sollicitations dans le plan de la tôle. L’emploi de la soudure et le développement des tôles de forte épaisseur ont engendré des assemblages en T mettant en jeu des sollicitations par le travers. Les risques de décohésion lamellaire doivent être évités sous peine de rupture brutale dans les zones de soudures. La solution a été trouvée grâce à la mise en œuvre d’aciers très purs – désignés sous le nom d’aciers Z – dont la résistance de traction perpendiculaire au feuillet moyen est garantie.

Dans le cas de nœud complexe sollicité par des alternances d’efforts, les zones proches du nœud peuvent être en acier Z. Les risques de fissuration sont alors fortement diminués. L’aptitude à souder les aciers est également un critère intéressant à connaître. Elle peut s’évaluer par mesure de la résilience, qui est un essai au choc à température donnée, et l’emploi, par très basse température, demande des garanties de résistance. Mais le développement de la mécanique de rupture a permis de mieux connaître les propagations de rupture sous efforts alternés ou non. Pour les fortes plaques, l’essai C.O.D. (crack opening displacement ) donne une bonne idée de la soudabilité des aciers. Cette aptitude est en général associée aux problèmes d’oxycoupage. Pour des aciers autotrempants, il faut prévoir un préchauffage et un postchauffage. C’est le cas des aciers à haute performance (limite élastique supérieure à 400 newtons par millimètre carré).

2. Les systèmes d’assemblage

L’assemblage des profilés en tôle nécessite des fixations permettant de transmettre les efforts supportés par la structure. Parmi les systèmes actuellement développés en charpente métallique, on peut citer:

– les assemblages avec broches et fonctionnement par frottement des éléments en contact. Le rivetage et le boulonnage ressortissent à cette catégorie;

– les assemblages avec soudure des éléments du contact. La continuité est assurée grâce au dépôt de métal à chaud.

Le rivetage et le boulonnage

Le rivetage à chaud consiste à introduire, dans un trou préalablement fait dans les tôles à assembler, un cylindre ayant une tête arrondie, chauffé au rouge, puis à écraser la partie sans tête de manière à agrafer les tôles. Cette opération nécessite un tour de main particulier, et la technique du rivetage, étant donné le manque de main-d’œuvre spécialisée dans ce métier, n’a plus l’importance qu’elle avait au début du siècle, et seules quelques réalisations comme les assemblages de cornières des pylônes électriques illustrent cette méthode. Les tôles assemblées ne sont pas traitées dans la zone de contact et les problèmes de corrosion, si les rivets ne sont pas assez rapprochés, sont difficiles à combattre faute d’entretien. Il faut également signaler l’impossibilité de démonter un assemblage sans détruire les rivets. Les boulons ont avantageusement remplacé les rivets car ils ne nécessitent que des opérations mécaniques de serrage. La diversité des épaisseurs à assembler dans une ossature conduit à de nombreux types de boulons. Il en résulte un coût élevé de ce type d’assemblage. Deux types sont à distinguer (fig. 2): le premier correspond au cas où l’effort sollicitant l’assemblage est perpendiculaire à l’axe du boulon, et la résistance est assurée par le frottement des zones en contact jusqu’à une certaine limite conduisant soit à la rupture des boulons, soit à l’arrachement de la tôle la plus mince si celle-ci est trop faible par rapport au diamètre de boulon. Le second correspond au cas où l’effort sollicitant la tête assemblée est parallèle à l’axe des boulons. Il s’agit là d’un assemblage à brides mettant en jeu la capacité d’extension des boulons et la souplesse des platines assemblées. Pour augmenter la résistance des frottements des surfaces assemblées, il est utile de procéder à un serrage contrôlé à la clé pneumatique. Ces boulons sont désignés sous le vocable H.R. (haute résistance) en raison des performances mécaniques élevées de l’acier constitutif des boulons. Grâce à un sablage préalable des zones en contact, on peut augmenter de 50 p. 100 la résistance au frottement. Un tel traitement conduit à prévoir une protection anticorrosion dès la fin de l’assemblage. La procédure de serrage a une grande importance si l’on veut être certain de la longévité des couples de serrage. Celle-ci comporte en général une première opération, dite d’accostage, puis un serrage définitif; l’ordre de serrage des différents boulons est parfaitement déterminé. L’intérêt des boulons H.R. réside dans la rapidité de montage et dans la possibilité de démontage. De plus, en cas de soudure, un préassemblage par boulon permet de positionner les pièces. Des ouvrages importants utilisent cette technique: citons le pont Masséna sur le boulevard périphérique de Paris qui a nécessité l’emploi de plus de 10 000 boulons, les hangars d’aviation d’Orly et de nombreuses charpentes industrielles (dans les zones d’encastrement).

La soudure

Mode d’assemblage fort connu, la soudure consiste à apporter un métal à haute température qui, par refroidissement et transformation métallurgique des bords assemblés, assure la continuité mécanique des pièces. Le procédé oxyacétylique a été remplacé par la soudure à l’arc avec électrode enrobée (soudage manuel) et par la soudure semi-automatique avec atmosphère protectrice de gaz (M.I.G. – metal inert gaz – et M.A.G. – metal active gaz ). De plus, quand la soudure est faite à plat, il est possible d’utiliser un flux protecteur en poudre, protégeant l’électrode. Ce dernier procédé peut être considéré comme automatique. La résistance de la soudure aux efforts dépend de l’acier, de la qualité d’exécution et des préparations prévues. La qualité est également liée aux risques admis pour des structures très élaborées – plates-formes marines, températures nucléaires –, alors un agrément préalable des soudeurs est nécessaire. La qualification de l’ouvrier est périodiquement testée et de plus les cahiers de soudage donnant les chanfreins, les épaisseurs de cordons et les traitements de chauffage sont suivis de près.

Ce travail important de contrôle est en général réalisé par des organismes spécialisés tels que l’Institut de soudure et le Bureau de classification navale. Les défauts dans les soudures sont souvent des amorces de fissures extrêmement graves en cas de sollicitations alternées. Celles-ci peuvent être détectées par l’emploi des rayons X ou simplement par ressuage. L’opération de soudage est caractérisée par une trempe dans la zone proche du cordon déposé. Après refroidissement, les pièces sont bridées, et les tensions internes ou autocontraintes apparaissent et sont très importantes en cas de pièces fermées (caisson) ou en cas de concentration de cordons (cas de plusieurs pièces partant d’un même nœud). L’exemple caractéristique est celui du nœud d’assemblage des treillis tubulaires utilisés dans les structures fixes ou non. Pour limiter l’effet des contraintes de retrait, on procède soit à un traitement au four, soit à un chauffage par résistances superficielles électriques. Pour augmenter la résistance des pièces, il convient de concevoir un tracé optimal (absence d’angles vifs rentrants, cordon d’épaisseur suffisante...). Les procédés décrits ci-dessus sont à mettre en œuvre, en prévoyant des goussets pour les pièces simples ou des boîtes de transfert pour les tubes. Ces pièces intermédiaires doivent être conçues pour faciliter la transmission des efforts sans risque de rupture locale par arrachement ou voilement.

Les jonctions entre pièces en cas d’encastrement ne peuvent se faire que par soudure ou boulons H.R., mais des articulations très simples peuvent être réalisées en réduisant le nombre d’organes de transmission (boulon unique, par exemple). Ces dispositions économiques sont utiles pour les charpentes de bâtiments où les palées de stabilité sont distinctes des éléments de façades et de planchers.

3. Les avantages et les inconvénients

Les structures métalliques ont des applications particulières et intéressantes suivant certains critères (sollicitations, montage, corrosion).

L’influence des sollicitations

Les sollicitations peuvent être dues aux charges permanentes et d’exploitation mais aussi aux éléments extérieurs (neige, vent, séismes, houle...). Les structures métalliques permettent d’avoir une charge permanente le plus faible possible et un comportement élastique, même dans le cas de mise en plastification de certaines zones. Dans le cas des bâtiments, ces caractéristiques sont particulièrement intéressantes pour les structures en zone de séismicité marquée. Il en est de même pour des tours de grande hauteur, où les gains de poids au point de vue de la charge permanente sont précieux. Enfin, le comportement en fatigue de l’acier a certainement eu une grande influence dans le choix actuel de structures métalliques pour l’exploitation du pétrole en mer. Dans le cas des ponts ou couvertures de grande portée, l’acier rend de grands services grâce au gain de poids de charge permanente. Il en est de même pour les ponts mobiles où le poids de la volée commande en grande partie le mécanisme de levage. Enfin, les caractéristiques mécaniques élevées de l’acier par rapport au béton sont très avantageuses en cas de report de charge: pour des bâtiments à étages, la partie basse constituée de poteaux métalliques enrobés ou non de béton a une superficie utile plus étendue que si des poteaux en béton étaient utilisés. À titre d’exemple, signalons la réalisation de la gare de Lyon La Part-Dieu et la tour des Poissons à la Défense.

Le système de montage

Les opérations de montage en matière de charpente métallique sont fondamentales car elles constituent le dernier stade avant l’achèvement, mais le plus dangereux en raison des problèmes d’instabilité. Les différents procédés classiques sont les suivants: déplacement de charges par levage ; déplacement par ripage horizontal; montage par utilisation de la structure existante comme support. Dans tous les cas, la possibilité de préfabrication en usine dépend en grande partie des conditions de transport. La solution la plus économique est la voie maritime ou fluviale. Elle permet le remorquage et la mise en place de blocs pouvant atteindre plusieurs centaines de tonnes. Ce procédé est utilisé fréquemment pour la fabrication et l’approvisionnement des «modules» des plates-formes marines. Ces modules sont d’énormes boîtes métalliques contenant tous les organes prévus et testés (unité de forage, unité de traitement d’eau électrique...). Ils peuvent peser jusqu’à 1 000 tonnes.

Il n’est pas possible en site terrestre de bénéficier de telles conditions. Les transports routiers, même exceptionnels, réduisent fortement les dimensions des blocs élémentaires. Il faut donc procéder à des préassemblages au sol et utiliser au maximum les capacités de levage disponibles. Celles-ci sont très faibles dans le cas d’ouvrages en béton. Il est donc nécessaire de déplacer des grues puissantes (400 mètres 憐 tonnes) ou de mettre en place des dispositifs spéciaux. Les ouvrages comme les ponts, par exemple, nécessitent le recours à ceux-ci: à titre d’exemple, citons le viaduc de Caronte, près de Martigues, en France, pont à béquille, de 300 mètres de portée totale, qui fut «levé» depuis le niveau 0 jusqu’à la cote finale (48 m) par un levage utilisant deux palées équipées chacune de vérins de 500 tonnes. L’ossature levée pesait environ 2 000 tonnes; autre exemple analogue, les travées latérales du pont de Saint-Nazaire - Saint-Brévin, et le pont de Niteroï, au large de Rio de Janeiro.

Les déplacements de charges importantes peuvent se faire également horizontalement grâce à des techniques de ripage. Celles-ci emploient des méthodes qui associent les vérins et les surfaces de glissement en Néoprène-Téflon. Il est loisible d’utiliser des coussins d’air. Des exemples en matière d’ouvrages d’art comme le déplacement complet du pont à haubans de Neuwied (Allemagne), long de 485 mètres et pesant 12 000 tonnes, sur une longueur de 16 mètres, ou le ripage analogue du pont à haubans d’Ober Kassel (Allemagne), de 516 mètres de long, méritent d’être cités. Ces méthodes de ripage sont en fait le prolongement de procédés de lancement connus depuis longtemps. Ils sont applicables pour la mise en place de poutres en I ou pour des caissons. L’emploi de zone de glissement en Néoprène-Téflon sur acier inoxydable permet de traiter le cas de courbes gauches.

L’utilisation d’un moyen de levage lié à l’ossature s’avère nécessaire si les grues ne peuvent atteindre la zone de montage. Il s’agit, dans le cas des ponts, de montage par encorbellement (photo) grâce à un mât placé en extrémité de travée. Il faut alors prêter une grande attention aux zones d’appui sur piles qui supportent toute la charge pendant la période du montage. Pour des bâtiments élevés à la verticale, les derricks de montage fixés sur les poteaux permettent de prendre les charges au sol puis de les positionner. Pour beaucoup de tours américaines, le procédé a été employé: citons le World Trade Center réalisé à New York, un des immeubles les plus hauts au monde. Dans d’autres réalisations, comme la tour Maine-Montparnasse à Paris, les grues servant au coulage du noyau central se sont déplacées verticalement et ont servi de moyen de levage.

Enfin, il est utile d’indiquer que certaines ossatures peuvent être entièrement construites au sol à plat puis levées à l’aide de mâts et de câbles de levage. Ce cas est celui des fermes de charpentes industrielles ou de palées de stabilité dans des immeubles en charpente métallique. La situation très provisoire mais dangereuse de la pièce levée haubannée doit être très brève, afin d’éviter l’intervention de phénomènes atmosphériques (vent, soleil).

La corrosion et la défense contre la corrosion

L’acier est sensible à l’action de la corrosion, et seule une protection par peinture ou projection de métal (zinc, aluminium) peut lui assurer une certaine longévité dans le temps. Cette protection doit être entretenue régulièrement. De nombreuses solutions ont été apportées par le constructeur pour réduire ces problèmes aux incidences économiques importantes. Il est possible d’employer un acier autopatinable du type «Corten» ou «Inda dur», qui se recouvre d’une couche d’oxyde stabilisant l’attaque du métal de base. Cette solution suppose que la couleur définitive brun chocolat soit admise. Pour des structures très exposées (en mer, par exemple), on peut réduire les surfaces exposées par l’emploi de tubes et créer un potentiel électrique favorable par une protection cathodique. Dans le même esprit, on peut également mettre en place un revêtement sacrificiel avec du zinc (portes d’écluses, par exemple) ou des anodes au titane. La durabilité de la charpente dépend en grande partie de l’atmosphère dans laquelle elle se trouve. Dans une structure marine, les zones de marnage sont évidemment les plus sensibles par le renouvellement d’oxygène. Ces problèmes prennent une autre dimension dans le cas de pièces exposées aux rayons 塚 des réacteurs de centrales nucléaires. La protection est obtenue par l’étude d’une composition adaptée de l’acier inoxydable constitutif. Les risques d’incendie conduisent à augmenter la résistance des profilés par des protections superficielles comme le plâtre ou le flocage de produits comme la «vermiculite». Parfois des peintures intumescentes sont suffisantes. Tous ces enrobages augmentent le prix de l’ossature, et il peut être utile de faire la comparaison de ces procédés avec un système à «irrigation». Les profilés creux mais fermés contiennent de l’eau qui en cas d’incendie, par convection, circule et permet l’évacuation des calories. Quelques applications, notamment pour les immeubles-tours, existent.

4. Quelques réalisations

Pour illustrer les paragraphes précédents, on présentera différents exemples montrant les applications variées de la construction métallique.

Le pont de Saint-Nazaire - Saint-Brévin

L’ouvrage reliant Saint-Nazaire à Saint-Brévin, long de 2 kilomètres, franchit la Loire à la hauteur de Saint-Nazaire et a remplacé le bac Saint-Nazaire - Mindin (photo). Sa partie centrale, longue de 200 mètres, doit permettre le passage des tankers se rendant à Donges. La passe centrale a été fixée à la valeur de 404 mètres avec un gabarit en hauteur de 50 mètres. Un pont à haubans (158 [travées de rives] + 404 [portée centrale] + 158 mètres) continu à trois travées métalliques fut réalisé. La largeur de la plate-forme routière étant de 15 mètres, les pylônes métalliques d’ancrage des câbles sont en forme de A et s’appuient sur des fûts en béton. Le tablier constitué par un caisson unique formé par des dalles orthotropes , c’est-à-dire raidies par des caissons de petites dimensions, est ancré sur les piles culées. Cet ensemble fut monté de la manière suivante: tout d’abord, la réalisation des travées avec une amorce de la travée centrale; ensuite le remorquage de ces éléments sur le site et enfin l’élévation des éléments puis la construction de la travée centrale par la méthode de l’encorbellement et l’aide des câbles montés petit à petit. Cet ensemble d’une grande légèreté posa, en raison de son étroitesse, des problèmes de stabilité aérodynamique qui furent résolus par l’utilisation de petits soufflets placés sur le bord.

Les plates-formes de forage mobiles

Les plates-formes de forage mobiles sont des structures flottantes particulières, puisqu’en station elles doivent avoir des mouvements très faibles, malgré la houle et le vent, dans une plage de fonctionnement très grande. Cela est possible grâce à une architecture particulière dont le principe est désigné sous le nom de «pile caisson». Le flotteur est lesté par de l’eau sur le site et se trouve à plusieurs mètres sous le niveau de la mer. L’ensemble fonctionne comme une tige leste dont les mouvements sont très faibles pour les houles moyennes. Le pont supporte des charges allant jusqu’à 7 000 tonnes. Ce principe est utilisé pour des réservoirs flottants pouvant contenir jusqu’à 300 000 barils de pétrole extrait et non traité (fig. 3). Les projets très futuristes d’exploitation des champs par 500 ou 1 000 mètres de fond font appel à de tels systèmes couplés à des flexibles dont la partie principale n’est pas soumise à l’action de la houle ni aux courants de fond.

Les immeubles de grandes hauteurs

Ces immeubles (plus de vingt niveaux en général) constituent un domaine d’application particulier de la charpente métallique. Les planchers sont supportés par des solives servant d’appui aux coffrages perdus pour le coulage du béton. Dans certaines tours, la tour Maine-Montparnasse notamment, le noyau central est en béton. Mais dans beaucoup de réalisations, en particulier aux États-Unis, la partie centrale abritant les batteries d’ascenseurs est une cage métallique. D’autres conceptions ont conduit à réaliser la stabilité grâce à la charpente de façade qui forme un tube spatial. Ce principe a notamment été appliqué à la réalisation de la tour John-Hancock (cent niveaux) ou celle de Sears-Roebruck (cent dix niveaux) à Chicago. La photo ci-dessous montre une construction à Cergy-Pontoise, le siège de la société 3M. Les tours du World Trade Center à New York, à noyau et façades périphériques participant à la résistance, comportant quarante niveaux, hautes de 411 mètres, ont nécessité l’emploi de 180 000 tonnes d’acier.

Les couvertures de stades ou de halles d’exposition

Les grandes couvertures donnent quelques exemples de la technique de l’emploi des résilles de câbles tendus ou non et servant de support de bardages. Parmi celles-ci, on peut citer notamment le stade olympique de Munich dont la couverture (74 800 m2) est une grande tente soutenue par des mâts, eux-mêmes stabilisés par des haubans. Les programmes de calcul sur ordinateur peuvent prendre en compte jusqu’à dix mille forces internes et permettent d’optimiser le tracé des câbles et également les prétentions initiales limitant les déformations dues aux charges climatiques et aux variations de température.

5. Perspectives d’avenir

Les bouleversements politiques et la crise de l’énergie ont profondément modifié les domaines d’application de la construction métallique. La conquête des fonds marins – champs pétrolifères, ramassage des nodules polymétalliques, recherches d’environnement non pollué – a donné un développement important aux structures métalliques marines. Les exportations d’ensembles industriels vers les pays en voie de développement conduisent à privilégier les formules d’ensembles modulaires totalement testés et les charpentes de bâtiment ne nécessitant pas des moyens importants de construction sur site. Les problèmes énergétiques sont à l’origine de la préfabrication de modules de traitement de l’eau de mer par osmose ou par d’autres procédés. Ce type de fabrication achevé en milieu industriel peut être chargé sur barges et livré sur site sans opérations particulières, si ce n’est les branchements nécessaires (courant, eau...). Les possibilités offertes par l’énergie solaire (captage par photopiles) conduisent à des blocs complets installés sur site sous forme de modules transportés dans des emballages convenables. Cette tendance à utiliser les capacités en usine au détriment des opérations sur site permet de mieux employer les possibilités offertes par les machines à commande numérique (c’est-à-dire reliées à un ordinateur), et plus particulièrement par les robots industriels capables de diminuer les coûts de production.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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