Joints de poteau: où le placer et ce qui doit le traverser

Un joint de poutre survient là où la poutre n'est plus assez longue. Un joint de poteau est différent : le poteau pourrait être laminé d'une seule pièce sur trois ou quatre étages, et vous le coupez tout de même, volontairement, parce qu'un tronçon de 12 m est difficile à transporter, à lever et à dresser. Le joint est donc une décision, et elle comporte deux volets que l'on a tendance à traiter comme un seul. Le premier est où, sur la hauteur du poteau, le placer. Le second est ce qui, de tous les efforts que le poteau transmet, doit réellement traverser la coupe.

Le piège consiste à répondre à la seconde question par l'effort axial, parce que c'est le nombre inscrit sur la nomenclature des poteaux et qu'il est grand. Dans un bâtiment réel, un poteau à un étage bas reprend bien plus d'un millier de kilonewtons en compression, et le réflexe est de dimensionner le joint pour tout faire passer. Ce réflexe est faux à double titre. Il est faux parce qu'un poteau dressé pour l'appui par contact usiné transmet la quasi-totalité de sa compression directement à travers le joint usiné sans charger la moindre platine, et il est faux parce que les efforts qui, eux, chargent les platines, la traction, le cisaillement et le moment, sont plus faibles, proviennent du système de contreventement et des combinaisons de charges, et comprennent un plancher que la norme fixe et que l'analyse n'atteint jamais. Ce guide prend un joint sur un poteau lourd et le dimensionne de bout en bout, et la pièce d'acier qui le détermine n'est jamais la compression.

Décomposez le joint en ses éléments. Deux fûts de poteau se rejoignent bout à bout, un tronçon supérieur et un inférieur, en général une section plus légère au-dessus d'une plus lourde, car la charge diminue à mesure que l'on monte. Trois types de matière traversent le joint. Les platines de semelle, une sur chaque face de chaque semelle, relient les semelles des deux fûts et reprennent toute traction ainsi que l'effort de semelle dû au moment. Une platine d'âme, ou une paire de platines, relie les âmes et reprend le cisaillement. Et là où les deux abouts sont dressés à plat et mis en contact, la surface d'appui reprend elle-même la compression directement, acier contre acier, les platines se contentant de maintenir les pièces alignées.

Les organes d'assemblage sont des boulons ou des soudures. Un joint boulonné utilise des boulons à haute résistance traversant les platines de semelle et d'âme et se monte vite sur chantier. Un joint soudé utilise des soudures bout à bout, à pleine ou à partielle pénétration, en travers des semelles et parfois de l'âme. Lorsque le fût supérieur est d'une section différente de l'inférieur, une platine de bourrage (une cale ou platine de division) comble le décalage pour que les platines reposent à plat et que les abouts portent. Chacune de ces pièces existe pour répondre à un effort précis parmi ceux qui traversent la coupe, et c'est pourquoi nommer d'abord les efforts, et non la section, constitue toute la discipline. Pour le pied du même poteau, là où la charge quitte l'acier et entre dans le béton, le guide complémentaire sur la platine d'assise de poteau traite le joint à l'autre extrémité.

L'emplacement habituel d'un joint de poteau se situe à environ 1,2 m (4 ft) au-dessus du plancher fini, et chaque partie de cette phrase est une raison. Il est au-dessus du plancher, et non au niveau du plancher, pour que le monteur dispose d'une plateforme de travail : à cette hauteur, une personne peut se tenir sur le platelage et atteindre les boulons ou la soudure, ce qui est une règle de sécurité et de productivité avant d'être une règle de structure. Il est au-dessus de l'assemblage poutre-poteau, si bien que le joint se trouve dans la longueur libre du poteau et n'entre pas en conflit avec les platines de cisaillement, les platines de moment et les raidisseurs qui s'entassent au niveau du plancher. Et il est près du point d'inflexion, la hauteur dans l'étage où le moment de flexion du poteau passe par zéro tandis qu'il fléchit en double courbure sous charge latérale, de sorte que le joint se place là où le moment qu'il doit traverser est proche de son minimum.

Le calcul sismique fixe cela au lieu de le laisser à l'habitude. Les prescriptions sismiques de l'AISC exigent que le joint se trouve à au moins 1,2 m (4 ft) des assemblages de semelle poutre-poteau, pour qu'il reste hors de la zone où le poteau est censé plastifier, le joint n'étant descendu à mi-hauteur du poteau que là où l'étage libre est inférieur à 2,4 m. La formule familière 1,2 m au-dessus du plancher fini est en réalité une règle d'accès portant le même chiffre : une note d'application recommande cette hauteur pour que l'équipe puisse gréer les câbles de sécurité périmétriques avant que le niveau suivant ne monte. La structure et la sécurité aboutissent à peu près au même endroit. Notez ce qu'aucun de ces raisonnements ne dit : il ne place jamais le joint là où l'effort est nul. Le moment est faible près du point d'inflexion, non absent, l'axial ne change guère sur un mètre de hauteur, et le cisaillement que reprend l'étage est présent sur toute la hauteur. Un joint se place là où c'est commode et là où la sollicitation est modérée, puis il est calculé pour la sollicitation réellement présente, ce qui fait l'objet du reste de ce guide. Le point d'inflexion et la longueur libre fixent aussi la longueur de flambement du poteau, l'autre raison pour laquelle cette hauteur compte.

Faites la coupe et regardez ce qui doit y passer. Il y a quatre choses, elles empruntent des chemins différents et sont reprises par des pièces d'acier différentes :

1. Compression. L'effort axial que le poteau évacue vers le bas. Si les abouts sont dressés pour l'appui par contact, elle traverse acier contre acier par le contact usiné, et les platines n'en reprennent presque rien. Si les abouts ne sont pas usinés, les platines et leurs organes d'assemblage la reprennent en totalité, ce qui explique pourquoi l'usinage vaut la peine sur un poteau lourd.

2. Traction. Non due à la gravité, qui ne fait jamais que comprimer un poteau, mais à une combinaison de charges qui soulève : le renversement sous vent ou sous séisme, dans une combinaison comme 0.9D + 1.0W, peut mettre en traction nette le côté au vent d'un poteau élancé. Seules les platines de semelle et leurs boulons peuvent traverser une traction, et c'est donc l'effort qui rend les platines non facultatives.

3. Cisaillement. Le cisaillement d'étage que le système de contreventement fait transiter par le poteau, repris à travers la coupe par les platines d'âme.

4. Moment. Toute flexion à la hauteur du joint, décomposée en un couple de forces : une force de traction dans une semelle et une compression égale dans l'autre, chacune égale au moment divisé par la distance entre les semelles. Les platines de semelle le reprennent.

Lire les quatre de cette manière est le recadrage que promet le titre. La compression est l'effort le plus grand et le moindre de vos soucis, car elle dispose d'un chemin qui évite entièrement les organes d'assemblage. Les organes d'assemblage existent pour les trois autres, plus un minimum normatif, et ce sont eux qui fixent les dimensions des platines. La façon dont les combinaisons pondérées transforment le vent et la gravité en la traction et le moment déterminants au joint relève de la combinaison de charges qui les produit.

Commencez par le plus grand nombre, car c'est celui qui s'échappe le plus vite. Lorsque les deux abouts du poteau sont dressés pour l'appui par contact, c'est-à-dire usinés ou sciés à plat selon un plan, la compression passe du fût supérieur à l'inférieur en appui direct, l'acier pressant sur l'acier sur toute l'aire de contact de la section. L'AISC 360 autorise ce mode de transfert de la compression et donne la résistance à l'appui par Rn = 1,8 Fy Apb, où Apb est l'aire de contact, avec un coefficient de résistance de 0,75.

Introduisez les nombres du poteau étudié. La section est un H lourd, de 360 mm de hauteur avec des semelles de 300 mm, une aire brute de 15 840 mm² en acier Fy = 345 MPa. Usinée sur toute son aire, sa résistance à l'appui est phi Rn = 0,75 x 1,8 x 345 x 15840, soit 7377 kN. La compression pondérée qu'elle doit transmettre est de 1400 kN. L'appui la couvre 5,3 fois. Dans le cas de l'appui par contact, on ne demande aux platines et aux boulons de reprendre aucun des 1400 kN ; leur seule fonction est de maintenir les deux fûts alignés pour que les faces usinées restent en contact et d'être présents pour les efforts que l'appui ne peut reprendre, à savoir la traction, le cisaillement et le moment. C'est le seul fait qui transforme un joint de poteau d'un grand problème en un problème modeste : l'effort que vous fixiez du regard dispose d'un chemin qui n'a pas besoin de vous.

C'est ici qu'un joint de poteau surprend. Retirez la compression par l'appui, prenez un cas où le vent est faible de sorte que le moment et la traction nette sont petits, et l'analyse indique que les organes d'assemblage n'ont presque rien à reprendre. La norme n'est pas d'accord. Un joint ne peut pas être dimensionné pour l'effort que le modèle rapporte par hasard à cette hauteur, car cet effort peut être faible pour des raisons qui ne tiendront pas dans le bâtiment réel : une direction de vent légèrement différente, une excentricité accidentelle, une tolérance de montage, ou l'ossature qui plastifie quelque part et redistribue.

Deux règles fixent le plancher. Hors calcul sismique, l'AISC 360 J1.4 demande seulement qu'un joint de poteau dressé pour l'appui dispose d'assez d'organes d'assemblage pour maintenir toutes les pièces en place, et, par sa note d'application, que le joint résiste à toute traction réelle développée par les combinaisons de charges, y compris le soulèvement qu'un calcul de gravité ne déclenche jamais. Notez ce que J1.4 ne dit pas : aucune règle n'impose qu'un joint de poteau développe 50 %, ou une fraction fixe quelconque, de la résistance du poteau. Ce chiffre de 50 % est réel, mais il concerne les barres comprimées autres que les poteaux, et le citer comme minimum de poteau est une erreur courante et coûteuse.

Dans un bâtiment calculé selon les prescriptions sismiques de l'AISC, l'AISC 341 nomme un nombre, et il s'applique à tout joint de poteau, même un poteau de gravité qui ne reprend aucune charge latérale. Le joint doit traverser un cisaillement de Mpc / (as x H), le moment plastique du poteau divisé par la hauteur d'étage, le cisaillement qui existerait si le poteau atteignait sa pleine résistance en flexion. Pour le poteau étudié, cela vaut 810 / 3,6 = 225 kN. À ce même joint, l'analyse de l'ossature rapporte 60 kN de cisaillement d'étage. Le minimum normatif est 3,75 fois plus grand, et c'est lui, non le modèle, qui dimensionne les platines d'âme. Un portique à moment spécial le resserre encore : son joint boulonné reprend la somme des moments plastiques aux deux extrémités du poteau, soit 450 kN ici, ses platines de semelle doivent développer la moitié de l'effort de plastification attendu de la semelle, plus de 1100 kN, et un joint soudé à pénétration partielle est calculé pour deux fois sa résistance requise. Dimensionnez un joint de poteau pour la réaction qu'imprime l'analyse et vous le sous-dimensionnez, car le nombre déterminant n'a jamais figuré dans l'analyse.

Voici le joint que ce guide dimensionne. Un poteau à section en H lourd, de 360 mm de hauteur, semelles de 300 mm et 20 mm d'épaisseur, âme de 12 mm, en acier Fy = 345 MPa, la même section en haut et en bas pour l'instant, abouts usinés pour l'appui. Le joint se trouve à 1,2 m au-dessus du deuxième étage. À partir de l'analyse de l'ossature, reproductible dans le calculateur plus bas, trois sollicitations arrivent au joint : une compression pondérée Pu = 1400 kN issue de 1.2D + 1.6L, un moment de poteau Mu = 120 kN.m issu du cas de vent 0.9D + 1.0W, et un cisaillement d'étage Vu = 60 kN.

Résolvez le moment avant de dimensionner quoi que ce soit. Un moment au joint est repris comme un couple entre les semelles, une traction dans une platine de semelle et une compression égale dans l'autre, chacune égale au moment divisé par le bras de levier entre les centres de gravité des semelles. Cet effort de semelle vaut Ff = Mu / (d - tf) = 120 / (0,360 - 0,020) = 353 kN. Gardez les quatre nombres sous les yeux : 1400 kN de compression que l'appui reprendra, un effort de semelle de 353 kN issu du moment, 60 kN de cisaillement d'ossature, et, derrière eux, le cisaillement minimal normatif de 225 kN. Le dimensionnement se ramène désormais à faire correspondre chacun à la pièce d'acier qui le reprend. L'interaction de cet axial et de ce moment sur le fût lui-même est la vérification de flexion composée que le poteau a déjà satisfaite pour en arriver là.

Alignez chaque pièce d'acier face à l'effort auquel elle répond, avec des platines boulonnées en acier Fy = 345, Fu = 450 MPa et des boulons M20 A325 (équivalent classe 8.8) en trous normalisés :

Lisez le tableau colonne par colonne, car c'est l'argument de tout le guide en trois lignes. L'appui reprend l'effort le plus grand, 1400 kN, et se situe à 19 % parce que le contact usiné est extrêmement résistant ; les platines n'en reprennent rien. Les platines de semelle sont dimensionnées par l'effort de semelle de 353 kN issu du moment, et leur limite déterminante n'est pas la platine mais les six boulons M20 par côté en cisaillement à 526 kN, si bien qu'elles atteignent 67 %. Les platines d'âme sont dimensionnées par 225 kN, le minimum normatif sismique pour tout poteau de bâtiment, non par les 60 kN de cisaillement que rapporte l'ossature, qui les aurait laissées à 7 % et dangereusement légères. Chaque vérification au niveau du boulon derrière ces capacités, plastification et rupture de la platine, cisaillement du boulon, pression diamétrale et déchirement du boulon, suit les mêmes règles que tout autre assemblage boulonné. Ce qui distingue un joint, c'est seulement la sollicitation que vous leur donnez, et sur un poteau cette sollicitation est le couple du moment et le plancher normatif, jamais l'axial.

Le joint étudié utilisait une même section en haut et en bas pour garder des efforts nets, mais la raison d'être d'un joint est en général que le poteau supérieur est plus léger que l'inférieur. Deux choses changent quand les sections se décalent. D'abord, les abouts ne se rejoignent plus à plat, de sorte qu'une platine de bourrage (une platine de division) comble la différence d'épaisseur de semelle et, si les hauteurs diffèrent, une platine de division horizontale en travers du joint reçoit la section supérieure plus petite et répartit son appui sur la section inférieure plus grande. Ensuite, l'aire d'appui est désormais l'aire de contact de la section la plus petite, non la plus grande, car la compression ne peut traverser que là où l'acier rencontre réellement l'acier : dimensionnez l'appui sur le poteau supérieur, et vérifiez la platine de division en flexion ainsi que l'âme du poteau inférieur pour la charge concentrée, la même famille d'écrasement et de plastification d'âme qu'une poutre subit sous une charge concentrée.

Les organes d'assemblage changent aussi. Les boulons qui traversent une platine de bourrage d'épaisseur supérieure à environ 6 mm exigent soit que le bourrage soit développé (boulons supplémentaires, ou bourrage prolongé et boulonné), soit une réduction de leur résistance au cisaillement, car une fourrure épaisse et libre laisse les plis glisser avant que les boulons ne portent uniformément. Rien de tout cela ne touche à la logique d'emplacement ni aux quatre efforts ; c'est le même joint, avec une platine supplémentaire pour faire passer la compression à travers un décalage et une règle pour garder les boulons honnêtes à travers le bourrage.

Un joint peut être boulonné avec des platines ou soudé avec des soudures bout à bout, et le choix dépend surtout de l'atelier et du chantier plutôt que de la résistance. Les joints boulonnés se montent vite : les platines sont soudées ou boulonnées en atelier sur un fût, le monteur pose le poteau supérieur et exécute les boulons de chantier, et le joint reprend la charge dès qu'il est mis au contact et serré. Les joints soudés, avec des soudures bout à bout à pleine pénétration (CJP), développent la section entière et laissent une ligne nette, mais ils exigent une soudure sur chantier, un accès tout autour, et l'inspection de chaque soudure, ce qui est plus lent et dépend de la météo.

Les soudures bout à bout à pénétration partielle (PJP) sont le moyen terme tentant : moins chères qu'une CJP, sans platines. Elles reprennent bien la compression en appui, mais elles sont faibles et fragiles en traction en travers de la gorge, et c'est précisément la sollicitation qu'un joint doit pouvoir assumer. C'est pourquoi les prescriptions sismiques doublent la résistance requise d'un joint de poteau soudé PJP : il doit être calculé pour deux fois l'effort d'un joint boulonné ou CJP au même endroit, une pénalité qui efface d'ordinaire l'économie et ramène le choix vers des platines boulonnées ou une soudure à pleine pénétration. L'arbitrage général entre développer entièrement un joint et le détailler pour un effort choisi est le même que celui qui sous-tend les assemblages de moment et de cisaillement ailleurs dans l'ossature.

La vérification du joint commence par les efforts au joint, et ceux-ci proviennent de l'ossature, non de la nomenclature des poteaux. Montez votre propre ossature ci-dessous : la travée, la hauteur d'étage, la charge de gravité et la charge latérale. Lisez l'effort axial du poteau, le moment du poteau à la hauteur du joint et le cisaillement d'étage, et ces trois nombres sont la compression qui va à l'appui, le moment qui devient votre effort de semelle via M / (d - tf), et le cisaillement que reprennent les platines d'âme. Comparez ensuite ce cisaillement au minimum normatif, la somme des moments plastiques du poteau divisée par la hauteur libre, et dimensionnez les platines d'âme pour la plus grande des deux valeurs. Changez le vent et observez le moment et le cisaillement bouger tandis que l'axial ne bouge presque pas, ce qui est toute la raison pour laquelle les organes d'assemblage, et non la compression, décident du joint.

Les défaillances se répètent, et chacune est un cas de dimensionnement du joint pour le mauvais effort ou de placement au mauvais endroit :

1. Dimensionner les platines pour l'axial. Faire passer toute la compression du poteau par les platines et les boulons alors que les abouts sont usinés pour l'appui, si bien que le joint est énormément surdimensionné pour le seul effort qui avait un chemin de contournement, et souvent encore insuffisamment vérifié pour la traction.

2. Oublier la combinaison de soulèvement. Ne calculer que pour la gravité, qui comprime, et ne jamais lancer 0.9D + 1.0W, de sorte que la traction nette qu'un poteau élancé subit sous le renversement trouve un joint sans chemin pour la traction.

3. Prendre le cisaillement de l'analyse comme sollicitation. Dimensionner les platines d'âme pour le cisaillement d'étage qu'imprime le modèle et sauter le minimum normatif, qui, dans une ossature sismique, est plusieurs fois plus grand et constitue le nombre déterminant.

4. Une soudure PJP nue en traction. Choisir une soudure bout à bout à pénétration partielle pour économiser et ignorer à la fois sa fragilité en travers de la gorge et le doublement que les prescriptions sismiques lui imposent.

5. Abouter au niveau du plancher. Placer la coupe en bas, à l'assemblage poutre-poteau, dans la zone encombrée et à fort moment que la norme vous dit d'éviter, au lieu de la placer en hauteur dans la longueur libre près du point d'inflexion.

• Un joint de poteau se situe à environ 1,2 m (4 ft) au-dessus du plancher fini : au-dessus de l'assemblage de la poutre, sur une plateforme de travail, et près du point d'inflexion où le moment est faible. Faible, non nul, et jamais au minimum de l'effort.
• La compression sur un poteau usiné traverse par appui direct (Rn = 1,8 Fy Apb) : sur la section en H étudiée, cela couvre 5,3 fois les 1400 kN de compression pondérée, si bien que les organes d'assemblage n'en reprennent presque rien.
• Les organes d'assemblage reprennent la traction, le cisaillement et le moment. Le moment de 120 kN.m devient un effort de semelle de 353 kN via Ff = M/(d - tf), et c'est cela qui dimensionne les platines de semelle, à 67 % sur deux platines 300 x 16 avec six boulons M20 par côté.
• La norme fixe un minimum que l'analyse ne fixe pas : l'AISC 341 exige de tout joint de poteau un cisaillement égal au moment plastique du poteau divisé par la hauteur d'étage, ici 225 kN, soit 3,75 fois les 60 kN que rapporte l'ossature, si bien que les platines d'âme sont dimensionnées par la norme.
• Un joint soudé PJP est calculé pour deux fois sa résistance requise sous les prescriptions sismiques, et un joint à décalage exige une platine de bourrage ou de division, l'appui étant limité à la section la plus petite.