Actions et Charges
En ingénierie structurelle, les charges sont organisées en actions — des groupes représentant la nature et l'origine des forces agissant sur la structure. Chaque action possède des caractéristiques spécifiques de magnitude, direction, durée et probabilité d'occurrence. Comprendre les actions est essentiel pour des combinaisons correctes et un projet sûr.
Poids Propre — PP
Le poids de la structure elle-même : profilés métalliques, assemblages, boulons, peinture, protection incendie. C'est une action permanente — toujours présente, de magnitude et direction connues (toujours verticale, vers le bas). CalcSteel calcule le poids propre automatiquement à partir de l'aire de la section transversale du profilé et de la masse volumique de l'acier (7850 kg/m³).
Formule
PP = γ × A × L
Où γ = 78,5 kN/m³ (masse volumique de l'acier), A = aire de la section transversale (m²), L = longueur de la barre (m).
Dans CalcSteel
Le poids propre est calculé automatiquement lors de l'analyse. Aucune saisie manuelle nécessaire — le moteur lit le profilé et la longueur de chaque barre pour générer la charge gravitationnelle répartie.
Flèches de poids propre générées automatiquement par CalcSteel sur chaque nœud, représentant la charge gravitationnelle de chaque barre.
Charge Permanente Additionnelle — CP
Charges permanentes au-delà du poids propre : couverture, pannes, bardage, équipements mécaniques, cloisons fixes, faux plafonds, tuyauterie. Définies par l'utilisateur comme charges réparties (kN/m) ou charges surfaciques (kN/m²), elles restent constantes pendant la durée de vie de la structure.
Poids typiques de couvertures
0.10 kN/m²Acier (trapézoïdal)
0.15 kN/m²Thermoacoustique
0.65 kN/m²Tuile céramique
0.60 kN/m²Shingle + OSB
Autres charges permanentes
- Pannes : 0,05 – 0,15 kN/m²
- Faux plafond + installations : 0,15 – 0,50 kN/m²
Charge d'Exploitation — SC
Charges variables d'occupation et d'utilisation : personnes, mobilier, matériaux stockés, véhicules. La magnitude dépend de l'usage du bâtiment et est définie par les normes. Les surcharges peuvent changer de position, magnitude et présence au fil du temps.
Valeurs typiques
- Toitures inaccessibles : 0,50 kN/m² (NBR 6120) / 0,50 kN/m² (Eurocode)
- Bureaux : 2,0 – 3,0 kN/m²
- Entrepôts / stockage : 5,0 – 15,0 kN/m²
- Maintenance de toiture : 1,0 kN concentré
Vent — W
Le vent génère une pression (positive) et une succion (négative) sur les surfaces. La magnitude dépend de la vitesse du vent (V0), des facteurs topographiques, de la géométrie du bâtiment et des coefficients aérodynamiques. Le vent est typiquement l'action dominante pour les structures métalliques légères, notamment les toitures.
Pression dynamique du vent
q = 0.613 × Vk²
Où Vk = V0 × S1 × S2 × S3 (vitesse caractéristique en m/s), q en N/m². Normes : NBR 6123 (Brésil), EN 1991-1-4 (Eurocode), ASCE 7 (USA).
Pression (au vent)
Le vent pousse contre la face au vent de la structure. Coefficient positif (Cpe > 0). Crée une compression sur la face et augmente la charge latérale globale.
Succion (sous le vent)
Le vent tire sur la face sous le vent et la toiture. Coefficient négatif (Cpe < 0). Peut soulever les toitures et inverser les réactions d'appui — souvent la condition critique pour les toitures métalliques légères.
⚠ Critique pour les structures métalliques légères
La succion en toiture peut dépasser le poids propre, causant l'arrachement. Vérifiez toujours les ancrages et assemblages pour la résistance au soulèvement. De nombreuses défaillances dans les bâtiments métalliques sont dues à un dimensionnement insuffisant pour la succion du vent.
Température — T
Les variations de température causent une dilatation/contraction thermique dans les éléments en acier. Pour les structures longues (>40m), les effets thermiques peuvent générer des efforts internes significatifs si la structure est bridée. Solution courante : joints de dilatation ou appuis glissants à une extrémité.
Coefficient thermique
α = 12 × 10⁻⁶ /°C (steel)
Une poutre de 30m avec ΔT=40°C se dilate de 14,4mm. Si bridée, elle génère un effort axial N = E × A × α × ΔT.
Séisme — E
Forces inertielles induites par un tremblement de terre. Applicable dans les régions sismiques et régie par des normes spécifiques (NBR 15421, EN 1998, ASCE 7). Typiquement modélisée comme des forces latérales équivalentes ou par analyse spectrale.
Combinaisons de Charges
Les normes de conception exigent que les charges de différentes actions soient combinées en utilisant des coefficients partiels de sécurité (γ) et des coefficients de combinaison (ψ). L'objectif est de trouver l'effort interne le plus défavorable dans chaque section de la structure.
État Limite Ultime (ELU)
Sd = γg × PP + γg × CP + γq × ψ₀ × SC + γq × ψ₀ × W + ...
Vérifie la sécurité structurelle (résistance, stabilité). Utilise des charges amplifiées avec des coefficients partiels de sécurité. La combinaison la plus critique gouverne le dimensionnement.
État Limite de Service (ELS)
Sd = PP + CP + ψ₁ × SC + ψ₁ × W + ...
Vérifie les déplacements, vibrations et confort. Utilise des charges non pondérées ou partiellement pondérées. Limites de flèche : L/250 (total), L/350 (surcharge).
Dans CalcSteel
CalcSteel génère automatiquement toutes les combinaisons de charges requises par la norme sélectionnée (NBR 8800, Eurocode 3, AISC 360). Vous définissez les actions et attribuez les charges — le moteur gère la combinatoire et l'enveloppe.
Coefficients Partiels de Sécurité (γ)
Ce sont les coefficients d'amplification de charge utilisés dans les combinaisons ELU. Les valeurs varient selon la norme :
| Action | NBR 8800 | Eurocode 3 | AISC 360 |
|---|---|---|---|
| Permanente (PP+CP) | 1.25 / 1.00 | 1.35 / 1.00 | 1.20 / 0.90 |
| Exploitation (SC) | 1.50 | 1.50 | 1.60 |
| Vent (W) | 1.40 | 1.50 | 1.00 |