Contreventements de genouillère dans les bâtiments en acier : résistance et indications

Un contreventement de genou est un élément diagonal court placé entre un poteau et le chevron situé au-dessus, formant un triangle rigide à l'angle de la charpente. Son utilité dépend du rôle que lui attribue la conception : résistance aux forces latérales, stabilisation de l'élément, raidissement secondaire ou étaiement lors du montage. Ces rôles impliquent des exigences et des réglementations différentes, et un même contreventement peut remplir plusieurs fonctions simultanément. Il est donc primordial de définir le rôle du contreventement avant de s'intéresser à l'angle, à la section ou au détail d'assemblage.

Quel est le rôle des contreventements de genou structuraux dans une charpente métallique ?

Dans une structure en acier, une entretoise de genou peut servir d'élément de résistance aux forces latérales, d'entretoise de stabilité d'élément, d'élément de raidissement secondaire ou d'entretoise de montage, selon le rôle que lui attribue l'analyse de la structure.

Dans un modèle idéal à articulations, l'entretoise supporte une tension ou une compression axiale, et un changement de direction du vent inverse cette fonction. Dans la réalité, les entretoises subissent également une flexion due à la rigidité des assemblages, au décalage des éléments et à l'excentricité du gousset. Une simple cornière boulonnée sur une face supporte ces trois contraintes. L'effet de l'entretoise sur la structure est de redistribuer l'effort axial, le cisaillement et la flexion entre le chevron, le poteau, les assemblages et la fondation, selon des proportions issues d'un modèle représentant la rigidité réelle des assemblages.

Ces quatre rangées ne sont pas exclusives. Un même contreventement peut se trouver simultanément dans deux d'entre elles, supportant l'effort tranchant de la structure tout en maintenant la colonne en un point ; les deux types de contraintes coexistent alors. Un dessin type n'indique pas à quelle rangée appartient un contreventement. Cette classification doit être effectuée, et non présumée.

Il convient de préciser d'emblée une limite : cet article traite des applications de résistance au vent et de stabilité des éléments dans les ossatures métalliques conventionnelles. L'intégration d'un contreventement d'angle dans un système de résistance aux forces sismiques fait l'objet d'une conception distincte. La classification des systèmes, les coefficients de réponse et les détails de ductilité sont issus du code du bâtiment en vigueur, la norme ASCE 7, et des dispositions parasismiques de l'AISC. La plupart des publications sur les ossatures contreventées d'angle que l'on trouve lors de recherches décrivent des systèmes parasismiques dissipateurs d'énergie, et non les cornières standard figurant sur un plan d'entrepôt.

Pourquoi une genouillère peut surcharger le membre auquel elle est fixée

L'ajout d'une entretoise de genou à une structure en acier déplace la charge au lieu de la supprimer ; par conséquent, l'entretoise, les deux connexions d'extrémité et l'élément recevant la force doivent tous être vérifiés avant que le détail ne soit accepté.

Plusieurs états limites peuvent se manifester simultanément. L'entretoise peut flamber en compression, se déformer en traction, se rompre à sa section nette ou céder par cisaillement. Les assemblages peuvent céder par cisaillement ou écrasement des boulons, au niveau de la soudure ou par flambement des goussets. Le chevron, le poteau ou la membrure de la ferme réceptrice peut se déformer localement ou céder par flexion de l'aile, déformation plastique de l'âme ou flambement de l'âme au niveau de la fixation. Le comportement prépondérant dépend de la géométrie et des détails. Le dessin ne le précise pas.

La force exercée par l'entretoise dépend de sa rigidité par rapport à tous les éléments agissant en parallèle. Une liaison plus souple que celle supposée par le modèle exerce une force inférieure à celle calculée, et la liaison la plus rigide absorbe la différence. Le nombre de boulons à lui seul ne suffit pas. L'épaisseur des attaches, la longueur des goussets, le type de perçage, la distance au bord, la déformation de l'appui et la rigidité de l'élément situé derrière la liaison sont autant d'éléments qui entrent en ligne de compte. Le cas problématique est celui d'une entretoise à laquelle l'analyse attribue une contrainte que la liaison n'exerce jamais, car rien dans le bâtiment fini ne révèle ce manque.

Le partage proportionnel de la rigidité est également le point faible de l'hypothèse courante concernant les bâtiments à bardage. Dans une structure métallique, la charge transversale est généralement supportée par les ossatures rigides, et la charge longitudinale par les contreventements désignés des murs et de la toiture, ou par un portique au niveau des ouvertures. Le bardage ne devient un diaphragme structurel que lorsque sa résistance, sa rigidité, ses fixations, ses collecteurs et son ancrage périphérique ont été conçus ou testés conjointement. Les recommandations de la Metal Construction Association relatives aux clips de toiture à joints debout indiquent que les clips coulissants utilisés sur de nombreuses toitures à joints debout ne fournissent pas une rigidité de diaphragme définie dans le plan. Poussons ce raisonnement jusqu'à une conclusion qu'aucun plan ne mentionne. Prenons deux bâtiments identiques, l'un avec une toiture conçue comme un diaphragme et l'autre sans : la même entretoise supporte une part plus importante de la charge dans le second bâtiment. Un bâtiment fermé n'est pas forcément un bâtiment contreventé.

Les essais grandeur nature sur ossature poteaux-poutres menés par Hansen Pole Buildings confirment cette tendance : la contribution mesurée des contreventements d'angle diminue avec l'augmentation de la charge une fois la toiture en tôle installée. Ces essais ont utilisé des poteaux, des fermes et des assemblages cloués en bois ; les résultats ne sont donc pas transposables à l'acier. En revanche, la nécessité de modéliser chaque cheminement parallèle demeure.

Un second espace se situe au niveau de la semelle sur laquelle repose l'entretoise. Le contreventement d'une poutre contre le flambement latéral-torsionnel exige la maîtrise de la torsion. Les recherches de l'AISC sur les poutres présentant des points d'inflexion montrent que le contreventement latéral appliqué à une semelle ne suffit pas à lui seul à empêcher ce mode de flambement. Une entretoise en forme de genou, dans le plan du cadre, empêche le mouvement dans ce plan au point de connexion. Elle n'empêche pas le mouvement hors plan de la semelle intérieure ; c'est pourquoi les contreventements de suspension et les contreventements de semelle constituent un élément distinct, s'étendant de la panne ou de la lisse jusqu'à cette semelle. Une entretoise en forme de genou, dans le plan du cadre, ne doit pas être considérée comme réduisant une longueur non contreventée hors plan, ni comme un contreventement de semelle comprimée ou de torsion, à moins que sa géométrie et son système de support n'assurent la contrainte requise.

Contreventement de genouillère par rapport aux travées contreventées, aux cadres rigides et au contreventement de bride

Le choix entre un contreventement en genouillère, une travée à contreventement en X, un cadre rigide transversal, un portique longitudinal et un contreventement à bride dépend de ce qui doit rester dégagé à l'intérieur de la travée et de la dérive latérale que la structure peut supporter.

Là où une entretoise d'angle et une travée contreventée se chevauchent, c'est généralement le plan d'ouverture qui détermine la solution. Une travée accueillant une porte sectionnelle ne peut supporter une poutre en X sur toute sa hauteur. Une entretoise d'angle dégageant le linteau de la porte constitue alors une option parmi d'autres. Un portique ou une entretoise de portique au niveau de l'ouverture, une travée contreventée déplacée, une travée résistante aux moments et un contreventement prolongé au-dessus du linteau permettent également de maintenir l'ouverture. Nous comparons ces solutions au plan d'ouverture et à la limite de dérive avant de fixer l'agencement de la structure, car il est coûteux de revenir sur ce choix une fois la travée détaillée. Le choix des travées supportant un contreventement transversal au sein d'un bâtiment est une décision prise à l'échelle du bâtiment. Il en va de même pour l'agencement général du système de contreventement de la structure métallique , et aucun de ces choix n'est tranché angle par angle.

Variables déterminant l'angle, la taille et le point de fixation de l'orthèse de genou

La géométrie de l'entretoise de genou est définie par quatre variables interagissant : le point de fixation sur la colonne, l'angle de l'entretoise mesuré par rapport à un axe donné, la section et la connexion à chaque extrémité, et la résistance disponible de l'élément recevant la force.

L'angle n'a de sens que si l'axe est défini. Soit θ l'angle par rapport à l'horizontale et considérons l'entretoise comme articulée. Pour appliquer une force horizontale H à l'angle, l'entretoise subit une force axiale de H / cos θ et exerce une poussée verticale de H · tan θ sur le chevron. Ces deux forces augmentent avec l'inclinaison de l'entretoise. Une entretoise moins inclinée est plus longue, s'étend davantage le long du chevron et occupe une plus grande partie de l'espace libre sous l'avant-toit. L'utilité de cette solution réside parfois dans les plans. Une entretoise inclinée préserve la hauteur sous plafond, mais augmente la force axiale et la poussée verticale sur le chevron. Une entretoise plate réduit ces forces, mais optimise l'espace. Aucune de ces solutions n'est idéale. Dans une charpente réelle, ce sont la flexion des éléments, la rigidité des assemblages, la charge verticale et la réponse du second ordre qui déterminent les forces à analyser, et non un angle privilégié.

Des spécifications précises pour les angles de 45 degrés existent. Le Code de la construction résidentielle du Kentucky, relatif aux ossatures à poteaux, exige un contreventement de 2×6 pouces reliant le poteau à la membrure supérieure de la ferme, à un angle de 45 degrés, avec fixation et déport définis par un tableau. Cette règle s'applique uniquement aux constructions résidentielles à ossature bois dans une juridiction donnée. Une spécification rédigée pour du bois cloué n'a aucune valeur pour une ossature métallique boulonnée, et la simple reproduction de l'angle entre différents matériaux reproduit la géométrie sans tenir compte des hypothèses sous-jacentes.

Le point de fixation présente le même problème, mais en sens inverse. Déplacer la liaison le long de la colonne la divise en deux segments de longueurs différentes, avec des appuis d'extrémité différents et une répartition des moments modifiée : le segment inférieur est plus court, le segment supérieur plus long. Le segment et le mode de flambement prédominants sont déterminés par l'analyse de stabilité de l'élément, et non par l'hypothèse qu'une liaison plus basse implique une longueur non contreventée plus courte.

Définissez deux des quatre variables avant d'aborder les autres. Confirmez d'abord le rôle, car une entretoise de force latérale et une entretoise de stabilité répondent à des exigences différentes, et leur classification modifie la définition d'un détail adéquat. Vérifiez ensuite la résistance disponible de l'élément sur lequel repose l'entretoise, car cette vérification est la plus susceptible d'invalider le détail et la plus coûteuse à corriger après fabrication. L'angle, la section et la disposition des boulons restent à déterminer, mais une modification du dessin est peu coûteuse. C'est pourquoi ils sont traités en second lieu.

Il convient de le préciser : dans un bâtiment fermé doté d'un système de contreventement prévu dans les deux directions et dont les chevrons ont déjà été vérifiés pour leurs charges, les équerres de renfort représentent souvent un investissement superflu. Elles se justifient uniquement lorsqu'un système de contreventement dédié est absent ou interrompu, lorsqu'une travée doit rester ouverte ou lorsqu'un élément spécifique nécessite un point d'appui qu'aucun autre système ne peut fournir.

Éléments à vérifier avant l'approbation d'un détail concernant une genouillère

La vérification des détails d'une entretoise de genou s'effectue dans le cadre du dessin et du calcul, car la question déterminante est de savoir si l'élément récepteur et ses connexions ont été conçus pour supporter la force exercée par l'entretoise.

• Le rôle structurel attribué à l'entretoise et le modèle sous-jacent : élément de tension uniquement, élément de treillis, élément de cadre ou ressort.
• La force de renfort et sa direction sont indiquées sur le détail lui-même.
• Le chevron, la colonne ou la membrure de ferme réceptrice est nommé, avec sa coche apparaissant quelque part dans l'ensemble de calcul.
• Les deux extrémités des connexions sont détaillées avec un groupe de boulons ou une soudure définis, y compris toute excentricité entre l'axe de l'entretoise et le joint.
• La cote de chute sur la colonne et l'angle de l'entretoise sont toutes deux cotées sur le dessin.
• Chargement inversé couvert : un étai capable de compression nécessite un contrôle de stabilité, un étai uniquement en tension nécessite un cheminement complet dans la direction opposée.
• Une rigidité de contreventement requise est indiquée chaque fois que le contreventement est considéré comme un point de contreventement de stabilité.
• La retenue hors plan de l'élément est représentée séparément, car l'attelle de genou ne la fournit pas.
• Que le toit et les murs soient constitués d'un diaphragme technique ou seulement d'un revêtement, cela détermine ce qui supporte la charge.

Deux conditions de chantier modifient la signification d'une lacune dans cette liste. Dans un bâtiment doté d'un système de contreventement conçu, où le contreventement contribue de manière secondaire, un calcul manquant constitue une lacune de documentation. Dans un hangar, un auvent ou un pavillon ouvert sur les côtés, sans système de contreventement de mur ou de toiture, le contreventement et sa fixation peuvent constituer le chemin de charge, et cette omission représente alors une lacune de conception. Nous vérifions à laquelle de ces deux situations correspond un bâtiment avant de valider les détails. Dans la construction de bâtiments métalliques préfabriqués, le contreventement est souvent livré sous forme de cornière standard avec un gousset perforé, facile à ajouter sur site et tout aussi facile à ajouter sans vérification préalable.

Par où commencer avec le contreventement des genoux sur votre bâtiment en acier

Il est important de préciser le contreventement structurel aux endroits où une travée doit rester ouverte ou lorsqu'un système de contreventement prévu est absent, et de s'interroger sur les travaux déjà effectués. Deux éléments sont déterminants : le rôle du contreventement et la résistance disponible de l'élément sur lequel il repose. L'angle et la section en découlent, et peuvent encore être modifiés à moindre coût tant que le plan est ouvert.

Le problème qui engendre le plus de retouches est l'ajout tardif d'une entretoise à une charpente dont le chevron a été dimensionné sans elle. Nous précisons le rôle de l'entretoise avant l'émission des plans de charpente, car cette classification détermine les contrôles que le détail doit subir.

Si une entretoise d'angle figure déjà sur vos plans, trois éléments permettent de déterminer si elle a été conçue par vos soins ou si elle a été héritée : l'effort de contreventement indiqué sur le détail, la hauteur et l'angle cotés, et un calcul prenant en compte la membrure du chevron ou de la ferme au niveau de la fixation. Pour une entretoise envisagée sur une charpente existante, commencez par évaluer la résistance disponible de l'élément sur lequel elle reposerait. La section et l'angle viennent ensuite.

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