La descente de charges est une étape cruciale dans l'étude des structures, visant à comprendre comment les charges se transfèrent à travers la construction. Son but est de déterminer comment les charges sont réparties et cheminent à travers tous les éléments porteurs de la structure, depuis le sommet jusqu'aux fondations.
Étant donné que toute structure est exposée à des charges gravitationnelles, les efforts se déplacent du point le plus élevé (généralement la toiture) vers le point le plus bas (les fondations). Ce processus permet d'analyser comment les différents éléments de la structure supportent et répartissent ces charges afin d'assurer la stabilité et la sécurité de l'ensemble.
La structure, composée de tous les éléments porteurs, forme ce qu'on appelle le système porteur, représentant le squelette du bâtiment. Les autres éléments constituent l'enveloppe du bâtiment.
Il existe quatre familles d'éléments porteurs :
Les porteurs horizontaux (planchers ou dalles, poutres).
Les porteurs verticaux (poteaux, murs ou voiles).
Les charpentes.
Les fondations.
La descente de charges vise à assurer le bon cheminement des charges à travers la structure, du haut vers le bas, afin de garantir sa stabilité et sa sécurité.
Les calculs de structure sont régis par les Eurocodes, normes européennes qui définissent les critères de dimensionnement et de justification des structures de bâtiment et de génie civil. L'Eurocode 1 établit les principes généraux de calcul et de chargement des structures à ériger.
La descente de charges, partie intégrante des calculs de structure réalisés par les bureaux d'études, permet de dimensionner chaque élément porteur.
Les hypothèses pour modéliser les descentes de charges comprennent :
Un comportement homogène et élastique de la structure porteuse.
La négligence de tout encastrement entre les éléments horizontaux et les éléments porteurs verticaux (considération d'une articulation équivalente à une liaison rotule).
La répartition uniforme des charges sur les dalles.
Les éléments structuraux comprennent les poutres et les poteaux, formant ce qu'on appelle une structure filaire. Ces structures sont composées d'éléments rigides horizontaux (poutres) qui supportent les charges appliquées transversalement à leur longueur et les transfèrent vers les éléments verticaux (poteaux).
Le transfert des charges vers les appuis de la poutre s'effectue dans une direction spécifique appelée sens de portée.
Les treillis sont des structures constituées de barres droites formant des triangles, considérés comme indéformables. Ils supportent les charges en générant des forces axiales dans les barres. Les structures en treillis sont souvent plus économiques que les poutres pour des portées moyennes.
Les câbles sont des éléments flexibles dont la configuration sous charge dépend de sa nature et de son ampleur. Ils sont couramment utilisés dans des structures à grande portée comme les ponts ou les toits suspendus, et supportent les charges en développant des forces axiales de traction.
Les planchers sont des éléments horizontaux reposant soit sur des poutres, soit directement sur des poteaux. Ils supportent à la fois les charges permanentes et les charges d'exploitation.
Les charges peuvent être classées selon leur direction d'application en charges verticales ou de gravité, et en charges latérales ou horizontales. Selon leur type d'application, on distingue :
Charges ponctuelles : concentrées en un seul point. Exemple : un poteau, une roue sur le sol, un équipement sur un plancher (mesurées en Newton : N).
Charges linéaires : réparties le long d'une ligne. Exemple : le poids propre d'une poutre ou d'un mur (mesurées en Newton par mètre : N/m).
Charges surfaciques : réparties sur une surface. Exemple : la neige, le poids propre d'une dalle (mesurées en Newton par mètre carré : N/m²).
Il est important de noter que pour déterminer les charges transmises par les dalles aux poutres et aux voiles (murs verticaux), il faut utiliser la surface de plancher reprise par ces éléments. Ces surfaces de planchers sont appelées surfaces d'influence. La surface d'influence est la zone de charge qui sera supportée par un élément structurel d'un niveau inférieur. Pour déterminer les charges transmises par une dalle aux poutres ou aux voiles, quelle que soit la charge (G, Q ou S) et quel que soit le matériau de construction, on utilise la surface de plancher reprise par ces éléments. Ces surfaces de plancher sont désignées par SP et sont appelées surfaces d'influence.
L'analyse et le dimensionnement d'une structure requièrent une compréhension précise de la nature et de l'intensité des charges qui lui sont appliquées, car celles-ci sont la principale cause des déformations et des contraintes. Les types de charges comprennent :
Les charges permanentes, symbolisées par le terme G, comprennent le poids propre de la structure, celui des équipements fixes (comme les cloisons), les forces dues au sol ou aux liquides dont les niveaux varient peu, ainsi que les contraintes résultant des déformations permanentes de la construction.
Ces charges sont déterminées à partir du poids volumique des matériaux (exprimé en kN/m³) et du poids surfacique des éléments (exprimé en kN/m²).
Les charges variables se divisent en deux principales catégories : les charges d'exploitation et les charges climatiques.
Les charges d'exploitation, représentées par le symbole Q, sont déterminées en fonction de l'utilisation et de l'exploitation de la structure, en tenant compte de l'activité normale des occupants, du mobilier, des objets mobiles et des véhicules. Dans le cas des structures de génie civil, ces charges sont établies de manière forfaitaire et réglementaire, conformément aux normes telles que l'Eurocode 5 ou le BAEL, en fonction de l'usage spécifique du bâtiment.
Les charges dues à la neige, symbolisées par Sw, sont des sollicitations provoquées par l'action de la neige.
La neige, représentée par le symbole Sw et exprimée en kPa (kN/m²), est calculée conformément aux réglementations en vigueur. Elle exerce une action statique dirigée verticalement vers le bas.
La charge réelle de neige sur les toits varie en fonction de divers facteurs tels que l'altitude, la latitude, la fréquence des vents, la durée de la chute de neige, l'exposition du site, ainsi que la taille, la forme et l'inclinaison du toit. Par conséquent, les charges au sol doivent être ajustées pour prendre en compte tous ces paramètres.
Les charges dues au vent, notées W, représentent une action complexe car elles peuvent générer des effets statiques (pression et dépression sur les parois) ainsi que des effets dynamiques (phénomène de résonance) sur une structure. Leur calcul est effectué conformément aux réglementations en vigueur.
Les effets du vent sur une structure peuvent être de nature statique ou dynamique. Pour en tenir compte, trois méthodes sont couramment utilisées : l'approche expérimentale (par exemple, en soufflerie), le calcul dynamique et le calcul simplifié.
La masse du bâtiment
La répartition de la masse
La rigidité de la structure
La rigidité du sol
Le type de fondation
La nature et l'amplitude des ondes vibratoires
La présence ou non d'un mécanisme d'amortissement dans le bâtiment
Pour le dimensionnement d'une structure, les ondes sismiques les plus significatives agissent principalement dans les directions horizontales, bien que leur influence se fasse dans les trois directions.
La réponse d'une structure à un séisme est largement déterminée par sa masse, sa rigidité et sa période.
L'évaluation de la surcharge sismique peut être effectuée soit par une analyse dynamique, soit par la méthode des forces statiques équivalentes, cette dernière étant permise dans certains cas.
Nota : Pour évaluer les charges spécifiées de neige, de vent et de séisme (Sw, W et E), il est nécessaire d'attribuer à chaque bâtiment une catégorie de risque en fonction de son usage prévu.
Les charges particulières, notées H et P, représentent d'autres types de sollicitations auxquelles une structure peut être soumise :
Charges thermiques : liées aux variations de température, par exemple les expansions et contractions d'un tablier de pont.
Poussée latérale des terres, notée H : charge constante, incluant la pression exercée par la nappe souterraine.
Précontrainte, notée P : effets permanents résultant de la précontrainte appliquée à la structure.
Les autres charges à considérer comprennent les vibrations des moteurs, les effets thermiques (négligés en France métropolitaine pour les bâtiments dont la longueur ne dépasse pas 50m), les charges dues aux accumulations d'eau (surtout sur les toitures de faible pente), et les charges de givre, qui peuvent affecter les structures métalliques extérieures légères, telles que les pylônes.
Les charges d'entretien sur les couvertures non accessibles au public sont définies comme suit :
Pour les couvertures sur charpente : Les charges d'entretien sont représentées par deux charges concentrées de 1kN, appliquées à 1/3 et 2/3 de la portée. Si la portée est inférieure à 3m, les deux charges sont placées à 1m d'intervalle, et dans certains cas, une seule charge est placée au milieu de la travée pour des portées < 2m.
Pour les charges sur couverture en éléments autoportants : Les éléments doivent être de dimensions et de poids manipulables sans appareils. La charge d'entretien est constituée de deux charges de 1kN plus la moitié du poids de l'élément, placées à 1/3 et 2/3 de la portée. Pour les éléments de grandes portées mis en place par des moyens spéciaux, la charge d'entretien doit être déterminée en fonction de ces moyens.
Pour les terrasses et toitures recevant une étanchéité : Une charge de surface est considérée, répartie sur 10m², en plus du poids propre de la couverture. Sa valeur au m² est égale soit au poids moyen des matériaux constituant l'étanchéité et ceux placés au-dessus d'elle, plus 0.5 kN, soit à 1kN si ce poids n'est pas atteint. Les 10m² forment un rectangle, dont un côté est éventuellement déterminé par l'entraxe entre les éléments de structure considérés.
Les calculs de conception doivent être effectués aux états limites, où une structure cesse de remplir sa fonction prévue. On distingue deux états limites dans les calculs : l'État Limite de Service (ELS) et l'État Limite Ultime (ELU).
Lors de la définition des charges de dimensionnement pour une structure, il est crucial de considérer si toutes les charges agissent simultanément. Les charges permanentes sont toujours présentes, mais la charge d'utilisation varie. Il est peu probable que toutes les charges, telles que celles dues au séisme, au vent et aux conditions d'utilisation maximales, atteignent leur intensité maximale au même endroit et au même moment. Pour éviter le surdimensionnement des structures et les coûts associés, certains règlements permettent de réduire les charges de dimensionnement pour certaines combinaisons de charges. Les charges climatiques peuvent ne pas être significatives pour les ouvrages en béton armé, mais sont essentielles pour les ouvrages légers en charpente métallique ou en bois.
L'État Limite de Service (ELS) correspond à l'utilisation quotidienne d'une structure, où l'objectif est de garantir des performances acceptables pour les utilisateurs. Par exemple, un plancher d'habitation ne doit pas subir de déformations excessives pour maintenir une surface plane pour le revêtement de sol. Les charges ne sont pas pondérées dans ce cas.
L'État Limite Ultime (ELU) concerne la sécurité structurelle de l'ouvrage, visant à éviter toute défaillance catastrophique. On s'assure que la structure résiste à des charges extrêmes pour garantir la sécurité des utilisateurs. Par exemple, on vérifie que les poutres ne se cassent pas sous des charges importantes. Les charges sont pondérées dans ce cas, en exagérant les charges par des coefficients de sécurité. Cette différence de coefficient s'explique par le fait que les charges permanentes sont considérées comme mieux maîtrisées que les charges d'exploitation.