Calcul de charge pour Charpente métallique existante

[AlphabetGrec]

Bonjour,

je souhaiterais savoir si la charpente métallique existante de ma grange peut supporter un autre type de couverture.
La couverture actuelle est constituée de plaques en fibro-ciment (18daN/m²). Je souhaiterais la remplacer par des caisson chevronnés (type Trilatte) + tuiles canal.
Je vous décrit la chose :
Il s'agit d'une grange en trapèze rectangulaire à 4 murs en pierre de 600mm d'épaisseur dans lesquels sont scellées les fermes. Surface au sol 120m² environ. Surface toiture, environ 132m².
La charpente est constituée de :
2 fermes triangulaires. Une de 8300mm de portée, l'autre de 8600mm. Supportant 4 pannes par versant.
L'entraxe horizontal des pannes est de 1385 mm. L'axe de la faitière est à 210mm du faitage. L'arbalétrier mesure donc 4340mm.
L'entraxe des fermes est de 5000 mm.
Il y a donc 3 travées de pannes de 5000 mm. Les pannes sont déversées selon la pente.
Au milieu de chaque travée, des fers ronds de 10mm (coudés à chaque extrémité) assurent la liaison des pannes entre elles (pour leur éviter de verser je suppose ?). Idem pour les 2 pannes de faitage.
Tous les assemblages sont assurés par boulonnage.
La pente est de 25%

Il n'y a pas de contreventement sur les fermes (ni montant ni diagonale dans la ferme). Pas de contreventement sur les pannes non plus

Les types/sections sont les suivants:

Arbalétriers : IPE 180 (180x90x5)
Entrait : IPE 80 (80x40x5)
Poinçon : 2 cornières assemblée de 50x50x6
Pannes : IPE 80 maintenues sur arbalétrier par échantignole cornière de 50x50x5

Les caisson chevronnés sont de type trilatte 600mm de large (160mm d'isolant+plaque BA 13 hydro) avec chevron de chaque côté 174x24mm : 22Kg/m²

J'ai évalué les charges de toiture ainsi
Charges permanentes :
Tuile terre cuite canal + liteaunage : 60 DaN/m² soit 8000 DaN sur 132m²
Caissons chevronnés : 22 daN/m² soit 3000 DaN sur 132m²
J'ai évalué le poids de la charpente elle même à 1250Kg environ. Soit 1225 DaN

Soit total permanent : 12225 daN

Charge climatique Zone C2 altitude <200m:
Dans ma région, la charge de neige est comprise entre 55 et 90 DaN/m² avec une valeur de 108 DaN/m² en charge accidentelle.


Ce n'est pas prévu pour l'instant, mais il est possible que dans le futur quelqu'un voudra accrocher un faux plafond à cette charpente.
Plaque de plâtre ep. 13 mm : 13 daN/m² . Sur 120m² environ soit 1560 daN !
A prendre en considération donc.

Je ne suis pas spécialiste en la question mais j'ai essayé d'être le plus précis possible en fonction des questions posées par les intervenants du forum.

Voilà, donc ma question est : Est que la charpente actuelle peut supporter le poids de la couverture panneau sandwich + tuiles. Avec ou sans faux plafond. Et sinon, est ce qu'en remplacant par des IPE de plus forte section, voire des pannes bois les fermes actuelles tiendraient le coup ?
Merci à ceux qui voudront bien se pencher sur ce problème.
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[ilovir]

Bonjour

1385 mm, 8600 mm, 4 pannes par versant, etc ... ça ne colle pas.

Faites un plan : ça ira beaucoup plus vite que tout ce texte, et ça sera plus clair aussi bien pour vous que pour ceux qui essaient de comprendre.

[AlphabetGrec]

Bonjour Ilovir,

je ris de ma bêtise. Merci Ilovir pour cette excellente remarque : Un petit schéma vaut mieux qu'un long discours...

J'essaye de faire ça dans la foulée.

A+

[AlphabetGrec]

Re,
en attendant un schéma (ce soir ...) je vous envoie une image.




Merci

[A voir en vidéo sur Futura]

[AlphabetGrec]

Bonsoir,

voici le schéma.


Merci

[sh42]

Bonsoir,

Passer de 18 à 82 daN/m2, si la charpente actuelle est largement dimensionnée pour la toiture actuelle, cela ne pourra pas " passer ". Le rapport 82/18 = 4,6 est trop important.

La seule solution serait d'incorporer des fermes entre les existantes. Avec une, cela diminuerait les charges de moitié, avec 2, ce serait de 3.

Eventuellement voir sur ce forum : Technologies Calculs de charpente et construction métallique

[ilovir]

Questions subsidiaires :

Quelle est la région pour le vent ? et quel type de site : campagne, village ... ?

Les pannes sont elles en continuité, c'est à dire en un seul morceau sur la longueur du bâtiment (ou en plusieurs moreaux mais soudés pour faire comme si c'était un) ?

Où-bien les pannes sont en tronçons de 5 m, indépendants (éventuellement juste éclissés) entre les fermes ?

[AlphabetGrec]

Bonsoir,
Merci sh42 pour ce retour.
L'idée était de pouvoir conserver l'existant. Ajouter des fermes n'est pas anodin. Du coup je passerai plutôt en charpente bois que je maitrise mieux.

[AlphabetGrec]

Bonsoir Ilovir,

Je suis dans l'Aude à la campagne à 10km au nord de Castelnaudary. Je suis géographiquement classé en C2

Concernant les pannes, il y a discontinuité à chaque ferme. Une "échantignolle" (cornière de 50x50x5) les relie entres elles et à l'arbalétrier. Assemblage par boulons. Voir image ci-dessous.

Merci.

[sh42]

Bonjour,

Passer à du bois, cela veut dire avoir une résistance élastique divisée au moins par deux par rapport à l'acier et même chose pour le module d'élasticité.
Ce qui veut dire multiplication des hauteurs de poutre au moins par 2.
Avec des portées d'environ 9 m, pour le bois cela va devenir compliqué.

[ilovir]

Je vous fais part de mon appréciation, qui ne constitue pas une étude comme il vous en faudra une si vous devez menez à bien votre projet.
C’est pour donner un ordre d’idée, et pour ceux qui ont des avis. J’ai fait des approximations et simplifications (voire des erreurs …)

Charges

Permanentes

En situation initiale (actuelle) : toiture 20 daN/m² + pannes
En situation modifiée (futur) : toiture 82 daN/m² + pannes

Neige région C2 : ordinaire Sk = 65 daN/m² et accidentelle SAd = 135 daN/m²
Avec mu = 0.8

Vent région 2, site campagne. qp(z) = 66 daN/m². Coefficents structural et orientation = 1 (réels trop compliqués à calculer)
cpe 0.18 au vent et 0.06 sous le vent, pour cpi = -0.3, soit cp en enfoncement : 0.48 et 0.36

Plafond sous entrait : placo 12 + isolant 6 + structure 7 = 25 daN/m² (à confirmer)

Acier supposé S235 non certifié, fy = 235/1.1= 213 MPa

Cas de charge défavorable : Neige et 0.6 x vent en enfoncement : (G + S + 0.6 Wp)
NB : la neige accidentelle, moins pondérée, est moins contraignante.

Remarques :

Pannes posées en appuis simples sur les fermes, portée 5 m ; liernes à mi-portée pour limiter la flexion déviée due à la pose des pannes en dévers.

Jarret en faitage permettant de considérer un encastrement entre les deux arbalétriers

Contreventement : la structure acier ne comporte de contreventement de type poutre au vent avec barres en croix de St André ou autre. Le contreventement se fait de façon « sauvage » selon les bonnes volontés des murs en maçonnerie et des plaques de toiture pour bloquer les flambements et déversements de flexion.

Pour la suite, j’ai considéré que la structure a, ou aura, les contreventements nécessaires, et que les déversements de flexion et le flambement, qui sinon seraient rédhibitoires, n’interviennent pas.

Assemblages : En fait il y en a deux : en faitage, qui ne devrait pas trop poser de problème, et ceux entre arbalétriers et entraits, qui sont très sollicités. Je n’ai aucun moyen de les vérifier, en rappelant que c’est important parce que c’est souvent par les assemblages que les structures acier cassent.

En l’état, la structure est simple à modéliser, et c’est ce que j’ai fait dans Freelem.

Etat initial (actuel)

Pannes

Contrainte de flexion maxi (en milieu de panne) : 274 MPa > 213 - Non conforme
Forte tendance au déversement (contre lequel on ne dispose que de la rigidité de la toiture)
Flèche : 63 mm soit env L/80 >> L/200 - Non conforme

Ferme (portée 8.60 m)

Contrainte de flexion composée maxi (vers milieu arbalétrier) : 100 MPa < 213 (non affecté par le flambement supposé bloqué par les pannes)
Flèche : 8.5 mm
Effort axial au niveau de l’assemblage de pied arba/entrait : 7 250 daN (soit 7.25 tonnes) en pondération ELU.

Etat modifié (toit tuiles)

Pannes

Non calculé car déjà non conforme en l’état initial.

Ferme

Contrainte de flexion maxi dans les arbalétriers : 158 MPa < 211 (non affecté par le flambement bloqué par les pannes)
Flèche : 13.5 mm
Effort axial au niveau de l’assemblage de pied arba/entrait : 11 600 daN (soit 11.6 tonnes) en pondération ELU.

Effet du plafond (futur)

Le plafond chargerait l’entrait excessivement en flexion. Cela ne pourrait s’envisager que moyennant des suspentes reportant une part de la charge dans les arbalétriers.

J’ai mis deux suspentes de chaque côté du poinçon (voir croquis) et je trouve :

Contrainte maxi arba : 172 MPa, toujours conforme

Contrainte de flexion dans l’entrait : 210 MPa sous le poinçon. Donc < 213 !, mais quand-même ultra limite ; il vaudrait mieux mettre 2 x 3 suspentes.
Flèche 15.5 mm (vers le milieu de l’arba)
Et effort axial pied arbas devient : 13.6 tonnes

Avec les modifications envisagées l’effort dans l’assemblage arba / entrait est donc multiplié par 1.6 à 1.9, ce à quoi il aura surement du mal à faire face.

Ferm 1.jpg

Defor.jpg
représentation de la déformation

Conclusion :

Les pannes sont déjà actuellement non conformes, et ne supporteraient pas une charge supplémentaire.

Les fermes présentent des sections pouvant supporter le poids de la toiture modifiée, mais cela ne suffit pas assurer qu’elles l’acceptent totalement en l’état car :

Il faut notamment vérifier l’assemblage entrait / arbas, devenant très sollicité

Les contraintes trouvées dans ma vérifications sont quand-même proches des limites, ce qui doit conduire à vérifier de près qu’il n’y a pas, sur site, des faiblesses n’étant pas dans mon modèle

Il faudrait mettre en place une vraie structure de contreventement en versants, bloquant les risques d’instabilités élastiques (déversement, flambement)
___________________

D’une façon générale, toute intervention sur un existant nécessite de l’examiner soigneusement dans son ensemble et dans ses détails pour rechercher toutes les anomalies qu’il peut présenter. Ici, cela ne peut se faire sans l'intervention d'un œil professionnel (ou plusieurs).

[AlphabetGrec]

Bonjour Ilovir,

merci beaucoup pour cette étude. Je suis très impressionné. Vraiment merci.

Vous dites que les pannes sont actuellement non conformes et puis plus loin qu'il faudrait envisager des contreventements. Dois je comprendre que cette structure de contreventement "rendrait" conforme les pannes ?
Comme je l'ai indiqué, tous les assemblages sont actuellement boulonnés. Est ce que si je fais souder ces assemblages on gagne en contrainte ?
Ci dessous assemblage entrait/arba actuel.


Encore merci du temps que vous passez à me répondre.

[ilovir]

Le contreventement ne va pas diminuer la flexion des pannes, seulement bloquer leur déversement actuellement retenu par les plaques auxquelles on ne doit normalement le demander.

Pour obtenir des pannes convenables (flèche < L/200), portant le nouveau système de toiture, une solution pas trop compliquée pourrait consister peut-être de les doubler par des IPE 120.
Ces doublures seraient appuyées aussi sur les fermes, assemblées aux pannes existantes, pour que les 80 et les 120 travaillent bien ensemble en flexion en se partageant la charge, (le IPE 120 prendrait env. 79 %)

Pour ce qui est des assemblages, je ne vais pas m’y lancer et ne vais donc pas pouvoir vous aider.

Cela dit, à défaut d’analyse, j’avancerai une remarque simpliste sur l’assemblage de la photo.

Dans l’entrait, je trouvais (je ne l’avais pas dit) une contrainte de traction de 144 MPa, donc encore confortable devant les 213 MPa de fy. (ELU, toit tuiles + climatique).
Hors à l’appui, la section est réduite d’env 40% par le grugeage des âmes du IPE 80 et par le trou de boulon. Donc : section nette (résistant) = 60 % de la section du profilé.
On comprend comment cette section nette peut constituer le point faible de la structure … D'autant plus qu'il s'ajoute un peu de flexion, car les boulons ne forment pas une articulation parfaite.



Je ne sais pas ce que vous pourriez bricoler en ajoutant des soudures. Si c’était chez moi, je solliciterais un charpentier acier pour faire le nécessaire, et s’il lui fallait un BE, il me le dirait. Il y a quand même un certain enjeu dans cette opération ; il ne faut pas louper la sécurité.

Ce que vous prévoyez, hors plafond, multiplie par peu près par 1.6 ce que subit la structure actuellement.
Mais cela, c’est avec les charges climatiques plein pot, ce qui est loin de la vie courante, et est même très rare.
La vie courante, c’est plutôt le bâtiment tout seul (avec un petit peu de vent), ce qui fait que la structure devrait devoir changer ses habitudes en ayant en permanence 82 kg à la place de 20 kg, donc 4 fois plus, comme le remarquait Sh42.

[AlphabetGrec]

Bonjour Ilovir,

merci pour toutes ces remarques pertinentes.
Fort de toutes ces infos, je vais faire appel à un professionnel.

Encore merci pour votre disponibilité