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Comprendre les charges mortes et les charges réelles : un guide complet des fondamentaux de l'ingénierie structurelle

Dans le monde de la construction et de l'ingénierie structurelle, peu de concepts sont aussi fondamentaux et critiques que la compréhension des charges mortes et des charges réelles. Ces deux catégories de charges primaires forment l'épine dorsale d'un design de bâtiment sûr, efficace et durable. Que vous conçoyiez une maison résidentielle, une grande taille commerciale ou une installation industrielle, le calcul et la comptabilisation de ces charges avec précision déterminent si une structure résistera au test du temps ou sera confrontée à une défaillance prématurée.

Ce guide complet explore tout ce que vous devez savoir sur les charges mortes et les charges réelles, des définitions de base aux méthodes de calcul avancées, aux applications réelles et aux codes de construction qui régissent leur utilisation. À la fin de cet article, vous aurez une compréhension approfondie de la façon dont ces forces façonnent la conception structurelle et pourquoi ils sont essentiels pour créer des bâtiments à la fois sûrs et économiques.

Les Forces permanentes en construction

Les charges mortes sont des charges structurales de taille constante au fil du temps, y compris l'autopoids des éléments structuraux, tels que les murs, les plâtres, les plafonds, les planchers, les poutres, les colonnes et les toits. Les charges mortes comprennent également les charges des éléments d'installation fixés en permanence à la structure.

Les charges mortes sont celles qui sont considérées comme des charges permanentes; elles sont « mortes », fixes et incapables d'être enlevées. Contrairement aux charges vivantes qui fluctuent en fonction de l'occupation et de l'utilisation, les charges mortes demeurent constantes tout au long de la vie du bâtiment, ce qui les rend plus prévisibles et plus faciles à calculer avec précision.

Composantes communes des charges mortes

Les charges mortes englobent une large gamme d'éléments et de matériaux de construction. Comprendre ce qui contribue aux charges mortes est essentiel pour des calculs structuraux précis:

  • Matériaux structurels:[ Le poids des poutres, des colonnes, des murs, des planchers et des structures de toit forme la composante principale des charges mortes. Les matériaux comme le béton, l'acier et le bois ont chacun des densités différentes et contribuent différemment à la charge globale.
  • Installations permanentes: Systèmes de CVC, plomberie, systèmes électriques, ascenseurs et autres équipements de service de bâtiment qui restent en place tout au long de la vie du bâtiment.
  • Matériaux de toiture:[ Les tuiles, les tuiles, la toiture en métal, l'isolation et les membranes d'étanchéité ajoutent toutes au poids permanent de la structure.
  • Finitions et claquage:[ Les finitions intérieures telles que les carreaux, la peinture, le mur sec, les plafonds suspendus et les matériaux de claquage extérieurs contribuent à la charge morte.
  • Partitions:[ Les charges de cloison peuvent être utilisées au lieu des masses de cloison réelles, sauf pour les cloisons ou cloisons portantes dans les toilettes, dans les escaliers et les ascenseurs, et dans des zones similaires où les cloisons sont concentrées.
  • Systèmes de roulement:[ Dalles de béton, planches de bois, sous-sols et finitions de plancher comme des carreaux de céramique ou de pierre.

Poids et densités des matières

Différents matériaux de construction ont des poids unitaires très différents, qui ont un impact direct sur les calculs de charge morte:

  • Concrete: Le béton est l'un des matériaux de construction les plus lourds, et son poids contribue de façon significative à la charge morte d'une structure. Les planchers, murs, fondations et colonnes de béton contribuent tous à la charge morte. Par exemple, une dalle de béton dans un bâtiment à hauteur de plusieurs tonnes peut contribuer à la charge sur la fondation. Le béton renforcé pèse généralement environ 150 livres par pied cube (pcf) ou environ 23,6 kN/m3.
  • Acier: Les poutres et colonnes en acier, couramment utilisées dans les bâtiments commerciaux et industriels, ajoutent aussi à la charge morte. Bien que l'acier soit plus léger que le béton, il contribue encore à la structure du bâtiment.
  • Bois: Dans la construction résidentielle, le bois est souvent utilisé pour les planchers, les murs et le revêtement du toit. Le bois est plus léger que le béton et l'acier, mais il contribue encore à la charge totale morte du bâtiment.
  • Maçonnerie: Les parois de briques et de blocs de béton ajoutent un poids important aux structures, avec des poids unitaires allant de 100 à 140 pcf selon le type et la densité.

Charges mortes en superposition (LDD)

Les charges mortes superposées sont des charges permanentes supplémentaires introduites après construction, y compris les systèmes MEP et les murs mobiles. La sécurité et l'intégrité sont garanties par le calcul précis et la répartition de leur poids dans toute la structure. Les charges SDL sont des charges permanentes ajoutées à une structure, mais non une partie de la structure elle-même.

DL et SDL sont généralement combinés et appelés charge morte totale, ou parfois G dans les codes et calculs d'ingénierie structurelle. Cette distinction est importante parce qu'elle permet aux concepteurs de tenir compte des modifications futures éventuelles du bâtiment tout en maintenant des calculs précis de charge.

Quelles sont les charges réelles? Les forces dynamiques de l'occupation

Les charges réelles sont le fait d'occupants, de meubles, de véhicules, de machines et d'autres articles transitoires ou mobiles, contrairement aux charges mortes, qui demeurent constantes et prévisibles au fil du temps. Les charges réelles sont les charges produites par l'utilisation et l'occupation d'un bâtiment. Elles comprennent les charges provenant de l'occupation humaine, du mobilier, des véhicules, des événements rares prévus tels que la collecte de personnes et le empilement de matériaux, les machines et équipements mobiles, le stockage, les activités d'entretien, etc.

Les charges réelles sont les charges qui sont transitoires et peuvent changer de magnitude. Elles comprennent tous les articles trouvés dans un bâtiment pendant sa vie (personnes, canapés, pianos, coffres-forts, livres, voitures, ordinateurs, machines ou matériaux stockés) ainsi que les effets environnementaux externes tels que les charges dues au soleil, à la terre ou aux conditions météorologiques.

Catégories de charges réelles

Les charges réelles peuvent être classées en fonction de leur source et de leur nature:

  • Charges d'occupation : Le poids des personnes qui utilisent le bâtiment varie considérablement selon le type d'espace et l'utilisation prévue.
  • Aménagement et équipement :[ Des articles mobiles tels que des bureaux, des chaises, des classeurs, des appareils et des machines qui peuvent être déplacés ou remplacés au fil du temps.
  • Charges de stockage: Stockage lourd: 250 psf ou plus. Les charges de stockage sont souvent sous-estimées, ce qui entraîne des défaillances historiques.
  • Charges de véhicules :[ Dans les structures de stationnement, les garages et les allées, le poids des voitures, des camions et des autres véhicules constitue une charge réelle importante.
  • Roupe Charges réelles:[ Le personnel d'entretien, l'équipement et le stockage temporaire sur les toits, séparés des charges environnementales comme la neige.
  • Charges environnementales :[ Bien que parfois classées séparément, la neige, la pluie et l'accumulation de glace sur les toits sont des formes de charges vivantes qui varient selon les conditions météorologiques.

Exigences minimales de charge réelle par occupation

Les valeurs de la charge réelle pour chaque type de bâtiment sont généralement définies par les codes de pratique, et c'est pourquoi l'utilisation de toute structure doit être définie avant le début de la conception. La norme ASCE 7, qui régit les charges minimales de conception aux États-Unis, établit les valeurs de base de la charge réelle pour différentes occupations et fonctions.

Voici les valeurs minimales typiques de la charge réelle pour les occupations courantes:

  • Résident: Salles de couchage: 30 psf (1,44 kN/m2). Ces valeurs supposent un mobilier modéré et une activité résidentielle typique.
  • Immeubles de bureaux: Les bureaux standard nécessitent généralement 50 psf pour les zones générales, tandis que les bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de bureaux de
  • Espaces d'assemblage: Théâtres, auditoriums et sièges du stade: 100 psf. Salles de danse et gymnases: 100 psf. Une forte densité de foule nécessite un design conservateur.
  • Dertail et commercial:[ Les espaces de vente au détail nécessitent généralement 75 à 100 psf selon le type de marchandise et la densité de la clientèle prévue.
  • Équipements éducatifs: Les salles de classe nécessitent généralement 40 psf, tandis que les couloirs et les couloirs ont besoin de 80 à 100 psf pour tenir compte du trafic à pied concentré.
  • Entreposage et industrie:[ Les installations et les entrepôts de fabrication peuvent exiger de 125 psf à 250 psf ou plus, selon les besoins particuliers en matière d'utilisation et d'entreposage.

La nature variable des charges réelles

Les charges réelles diffèrent fondamentalement des charges mortes de plusieurs façons : Variabilité dans le temps : Un plancher peut être vide un moment et bondé l'autre. Influence dynamique : Contrairement aux charges mortes statiques, les charges vivantes peuvent déclencher des vibrations et de la fatigue au fil du temps, une préoccupation particulièrement évidente dans les ponts piétonniers et les systèmes de plancher étendus à longues travées.

Cette variabilité inhérente rend les charges réelles plus difficiles à prévoir et exige des ingénieurs qu'ils conçoivent avec des marges de sécurité appropriées.Les charges vivantes ASCE 7 modernes sont dérivées d'études statistiques des modes d'occupation, d'enquêtes sur les poids des meubles et des équipements et de combinaisons probabilistes de charges.Cette approche établit un équilibre prudent entre la sécurité structurelle et l'efficacité économique, assurant que les bâtiments restent capables de résister aux conditions d'occupations rares et maximales sans surcharger inutilement les membres pour une utilisation courante et quotidienne.

Différences clés entre les charges mortes et les charges réelles

La compréhension des différences fondamentales entre les charges mortes et les charges réelles est essentielle pour une conception structurale adéquate. Ces différences influent sur la façon dont les ingénieurs abordent les calculs, appliquent les facteurs de sécurité et conçoivent les éléments structuraux.

Nature et permanence

La différence la plus fondamentale réside dans leur permanence. Les charges mortes sont statiques et constantes, restant inchangées tout au long de la vie de la structure à moins que des rénovations ou des ajouts ne se produisent.

Prévisibilité et exactitude du calcul

La grandeur des charges mortes d'un bâtiment peut généralement être déterminée avec seulement une marge d'erreur de 5%. Ce degré élevé de précision découle du fait que les propriétés et les dimensions du matériau sont connues et relativement cohérentes.Comme ces éléments sont fixes, les ingénieurs peuvent calculer la charge morte avec précision en multipliant le poids de chaque matériau par la zone qu'il couvre (habituellement en livres par pied carré, ou psf).

Les charges réelles, cependant, sont intrinsèquement incertaines. Contrairement aux charges mortes, les charges réelles sont très variables et ne peuvent pas être mesurées exactement. C'est pourquoi les ingénieurs utilisent des tables de code de construction (comme ASCE 7 et NYC Building Code Chapitre 16) pour estimer les charges réelles maximales attendues pour différents espaces.

Facteurs de charge et considérations de sécurité

La taille du facteur de charge est basée sur la probabilité de dépasser toute charge de conception spécifiée. Les charges mortes ont de petits facteurs de charge, comme 1.2, parce que le poids est principalement connu et pris en compte, comme les éléments structuraux, les éléments architecturaux et les finitions, de grands morceaux d'équipement mécanique, électrique et de plomberie (MEP).

Les charges réelles, par contre, peuvent être des meubles, des équipements mobiles ou les personnes elles-mêmes, et peuvent augmenter au-delà des quantités normales ou prévues dans certaines situations, donc un facteur plus important de 1,6 tente de quantifier cette variabilité supplémentaire. La neige utilisera également un facteur maximum de 1,6, tandis que les charges latérales (séismes et vent) sont définies de manière à ce qu'un facteur de charge de 1,0 soit pratique.

Impact sur la conception structurelle

Les charges mortes influencent le poids de la structure et affectent la conception de la fondation, tandis que les charges réelles déterminent la capacité de charge nécessaire pour la sécurité pendant l'occupation. Parce que les charges vivantes dépendent de la résistance structurale, la connaissance de l'utilisation prévue exacte du bâtiment est critique. La force de la charge morte, ou l'absence de celle-ci, définit souvent la quantité de charge vivante qu'il peut supporter.

Comment calculer les charges mortes : méthodes et procédures

La conception de la structure repose sur le calcul précis des charges mortes, qui consiste à identifier tous les composants permanents, à déterminer leurs poids et à les appliquer de façon appropriée au système structural.

Méthode de calcul de base

La façon dont la charge morte est calculée dépend de l'élément structurel qui doit supporter la charge. Par exemple, la charge morte d'une dalle est généralement calculée comme une charge de surface (kN/m2) parce que la dalle elle-même – élément statique 2D – doit supporter la charge. D'autre part, la charge morte appliquée sur des éléments statiques 1D comme les poutres, colonnes, tiges, etc. sont généralement soit des charges linéaires (kN/m) ou ponctuelles (kN).

La formule fondamentale pour le calcul des charges en surface morte est la suivante:

Charge de la charge (psf ou kN/m2) = Densité du matériau × Épaisseur

Processus de calcul étape par étape

  1. Identifiez tous les matériaux :[ Énumérez tous les composants qui contribuent au poids permanent de la structure, y compris les éléments structuraux, les finitions et les équipements fixes.
  2. Déterminer les propriétés des matériaux:[ Ces densités ou le poids unitaire des matériaux peuvent être obtenus à partir des codes et normes pertinents, des fiches de données sur les matériaux ou par des essais en laboratoire.
  3. Calculer le volume ou la surface:[ Mesurer ou calculer le volume (pour les charges ponctuelles) ou la surface (pour les charges distribuées) de chaque composant de matériau.
  4. Multiplier par poids unitaire: Pour chaque composant, multiplier son volume ou sa surface par le poids unitaire du matériau pour déterminer sa contribution à la charge morte.
  5. Sum Tous les composants: Ajouter ensemble toutes les contributions individuelles de charge morte pour trouver la charge morte totale agissant sur l'élément structural.
  6. Appliquer au modèle de structure:[ Transférer les charges calculées aux éléments structuraux appropriés de votre modèle d'analyse, en assurant une distribution de charge adéquate.

Exemple pratique : Système de planchers à charge morte

Considérez un système de plancher résidentiel typique avec les composants suivants:

  • Dalle de béton armé de 5 pouces: 150 pcf × (5/12) ft = 62,5 psf
  • Sol en céramique (1/2 pouce): 10 psf
  • Plafond suspendu avec accessoires: 5 psf
  • Allocation MEP: 3 psf
  • Indemnité de partage : 15 psf

Charge totale morte = 62,5 + 10 + 5 + 3 + 15 = 95,5 psf

Cette charge totale en blanc serait ensuite appliquée à la dalle de plancher et utilisée pour calculer les charges transférées aux poutres et colonnes de support.

Méthode de zone d'affluent

La partie de la dalle supportée par un faisceau a une largeur et une longueur. Cette surface supportée par le faisceau (la surface rectangulaire ombragée) est appelée la zone affluente du faisceau. La méthode de la zone affluente est essentielle pour déterminer comment les charges sont réparties entre les dalles et les poutres et entre les poutres et les colonnes.

Pour calculer les charges à l'aide de la méthode de la zone des affluents :

  1. Identifier la surface de la dalle ou du plancher qui est supportée par l'élément structural en question
  2. Multiplier la zone des affluents par la charge morte par unité de surface
  3. Pour les poutres, convertir la charge totale en une charge répartie uniformément en divisant par la longueur du faisceau
  4. Pour les colonnes, additionner toutes les charges des poutres et des dalles supportées

Comment calculer les charges réelles : exigences et procédures du code

Contrairement aux charges mortes, calculées à partir des premiers principes utilisant les propriétés des matériaux, les charges réelles sont principalement déterminées par la consultation des codes et des normes du bâtiment qui précisent les valeurs minimales en fonction du type d'occupation.

Détermination des charges réelles à partir des codes de construction

Les hypothèses de charge réelle dépendent de l'utilisation du bâtiment ou du type d'occupation. Il y a évidemment des charges réelles plus importantes dans les zones de montage ou de gymnastique que dans les zones résidentielles. L'exigence de charge réelle minimale est donnée dans les codes et les normes que nous utilisons.

Étapes de calcul de la charge en mode réel

  1. Identifier le type d'occupation:[ Déterminer l'utilisation spécifique de chaque espace dans le bâtiment (habitation, bureau, assemblage, entreposage, etc.).
  2. Codes de bâtiment de consultation:[ Référencer le code de bâtiment applicable (ASCE 7, GRV ou codes locaux) pour trouver la charge minimale requise pour ce type d'occupation.
  3. Consider Conditions spéciales:[ Compter pour toute utilisation inhabituelle, équipement lourd ou charges concentrées qui peut dépasser les minimums de code.
  4. Appliquer uniformément les charges distribuées:[ Les charges réelles sur les planchers des bâtiments sont définies par une charge répartie uniformément, la charge de ligne et la charge concentrée, qui, cependant, ne doivent pas être appliquées simultanément. La charge répartie uniformément est utilisée pour toutes les vérifications globales et les conceptions générales, tandis que la charge concentrée est généralement adoptée pour les vérifications locales.
  5. Check for Concentrated Loans:[ Les codes de construction précisent également les charges concentrées qui doivent être prises en compte pour les effets locaux, comme une charge de 300 livres sur une zone de 2,5 pouces par 2,5 pouces pour les planchers résidentiels.
  6. Calculer la charge totale en mode vif:[ Multiplier la charge totale en mode vif par unité de surface par la zone affluente pour déterminer la charge totale en mode vif sur les éléments structuraux.

Réduction de la charge en mode réel

Un facteur important dans le calcul de la charge réelle est que les codes de construction permettent de réduire la charge réelle de certains éléments structuraux qui supportent de grandes zones tributaires. La raison est qu'il est statistiquement peu probable que la zone entière soit chargée simultanément à sa capacité maximale.

La réduction de la charge en mode réel est généralement autorisée pour:

  • Colonnes supportant plusieurs étages
  • Bruits avec grandes zones affluentes
  • Fondations soutenant de vastes zones

Toutefois, la réduction de la charge en mode réel n'est généralement pas autorisée pour:

  • Emplois de l'Assemblée
  • Garages de stationnement
  • Toits avec charges réelles supérieures à 100 psf
  • Zones à charges très concentrées ou spécialisées

Les formules et les limites spécifiques pour la réduction de la charge réelle sont fournies dans les codes du bâtiment et varient selon la zone d'influence et le type d'occupation.

Charges environnementales : forces de la neige, du vent et de la sismique

Alors que les charges mortes et les charges réelles provenant de l'occupation sont les charges de gravité primaire, les structures doivent aussi résister aux charges environnementales qui peuvent agir à la fois verticalement et horizontalement.

Charges de neige

Les charges de neige sont attribuables au poids de la neige accumulée sur un toit plat ou incliné. Les charges de neige varient selon l'emplacement géographique, l'état du vent, la géométrie et la pente du toit, du bâtiment et de l'exposition au site. Par exemple, une charge de neige minimale de 54 psf devrait être envisagée pour les bâtiments construits à Montréal, QC, tandis que la charge de neige de 10 psf est recommandée pour la conception de structures à Portland, OR.

La charge de neige est la charge que l'accumulation de neige peut imposer. C'est un problème qui est plus répandu dans les régions géographiques sujettes à des chutes de neige abondantes et fréquentes. Une quantité considérable de neige pourrait s'accumuler dans ces régions, ajoutant une charge considérable à la structure.

Charges éoliennes

Les forces éoliennes ont été la cause de nombreuses défaillances structurelles dans l'histoire, en particulier dans les régions côtières. La charge éolienne est l'effet du vent sur les bâtiments, les structures et autres objets. Elle est causée par la pression du vent, la vitesse de l'air et la vitesse du vent. La pression du vent est la force globale appliquée sur une structure par le vent.

La charge du vent sur une structure dépend de plusieurs facteurs, dont la vitesse du vent, le terrain environnant et la taille, la forme et la réponse dynamique de la structure.

Les charges éoliennes créent trois types principaux de forces sur les structures:

  • Charge latérale:[ Pression horizontale qui peut faire tomber ou glisser les structures de leurs fondations
  • Charge de levage:[ Forces vers le haut sur les toits et les surplombs qui peuvent déchirer les matériaux de toiture
  • Charge de charge:[ Forces qui font bouger différentes parties de la structure par rapport à l'autre

Charges sismiques

Le mouvement du sol causé par les forces sismiques dans de nombreuses régions du monde peut être assez important et endommage souvent les structures, ce qui est particulièrement remarquable dans les régions proches des failles géologiques actives. Ainsi, la plupart des codes et normes de construction exigent que les structures soient conçues pour les forces sismiques dans les zones où les tremblements de terre sont susceptibles de se produire.

Bien que les vibrations sismiques soient tridimensionnelles, leurs composants horizontaux sont plus critiques dans la conception des systèmes structurels. Ainsi, généralement, nous considérons la charge sismique comme une force latérale agissant sur un bâtiment. La charge sismique dépend de la proximité du bâtiment avec les lignes de faille.

Les considérations de conception sismique comprennent :

  • Catégorie de conception sismique fondée sur l'emplacement et les conditions du sol
  • Facteur d'importance pour la construction
  • Type de système structurel et ductilité
  • Hauteur du bâtiment et répartition de la masse
  • Type de fondation et interaction entre la structure du sol et celle du sol

Combinaisons de charge: conception de scénarios réels-mondiaux

Comme les bâtiments et les structures doivent résister aux tempêtes les plus lourdes, aux événements accidentels et aux scénarios de chargement combinés, les ingénieurs multiplient les charges avec les facteurs de sécurité et combinent différentes charges dans des combinaisons dites de charge pour s'assurer que la structure ne s'effondre pas. Les combinaisons de charge combinent différentes charges comme la neige, le vent, la mort, la sismique et la charge réelle pour représenter un « scénario réel ».

Combinaisons de charge LRFD et ASD

Les structures sont conçues pour satisfaire à la fois les exigences de résistance et de facilité d'utilisation. L'exigence de résistance assure la sécurité de la vie et de la propriété, tandis que l'exigence de facilité d'utilisation garantit la confort de l'occupation (personnes) et l'esthétique de la structure. Pour répondre aux exigences susmentionnées, les structures sont conçues pour la charge critique ou la plus grande qui pourrait agir sur elles. La charge critique pour une structure donnée est trouvée en combinant toutes les différentes charges possibles qu'une structure peut transporter pendant sa durée de vie.

Il existe deux méthodes principales de combinaison de charges utilisées en ingénierie structurelle : la conception de contraintes permises (ASD) et la conception de facteurs de charge et de résistance (LRFD).La conception de contraintes permises (ASD) : la conception de contraintes permises consiste à calculer la contrainte maximale sur une structure en raison de diverses charges et à la comparer à la contrainte admissible du matériau.La conception de facteurs de charge et de résistance (LRFD) : la conception de facteurs de charge consiste à appliquer des facteurs de charge à diverses charges pour déterminer la charge maximale sur la structure.

Combinaisons de charge LRFD communes

Les combinaisons de charge LRFD typiques comprennent:

  • 1.4D (charge morte seulement)
  • 1.2D + 1.6L + 0.5 (Lr ou S ou R)
  • 1.2D + 1.6 (Lr ou S ou R) + (L ou 0,5W)
  • 1.2D + 1.0W + L + 0,5 (Lr ou S ou R)
  • 1.2D + 1.0E + L + 0,2S
  • 0,9D + 1,0W
  • 0,9D + 1,0E

Où: D = charge morte, L = charge réelle, Lr = charge réelle sur le toit, S = charge de neige, R = charge de pluie, W = charge de vent, E = charge de tremblement de terre

Pourquoi charger des combinaisons de matière

Les combinaisons de charges sont importantes car elles permettent d'assurer l'intégrité et la sécurité de la structure. Par exemple, sans tenir compte des combinaisons de charges, une structure peut être conçue pour résister à un seul type de charge (par exemple la neige) mais pourrait échouer sous un autre type de charge. Les combinaisons de charges affectent la structure parce que les charges maximales prévues déterminent la résistance et la sécurité d'une structure.

Codes et normes régissant la conception des charges

Les calculs de la charge structurelle sont régis par divers codes et normes de construction qui fournissent des exigences prescriptives, des méthodologies et des valeurs minimales pour assurer la sécurité publique.

ASCE 7: Standard des charges minimales de conception

La norme ASCE 7 est une pratique acceptable pour les charges de construction aux États-Unis et est reconnue dans presque tous les codes de construction américains. ASCE 7 est une norme largement reconnue publiée par l'American Society of Civil Engineers (ASCE). Il sert de référence complète pour le calcul de la charge et est souvent référencée par les codes de construction, y compris le GRV.

L'ASCE 7 fournit des directives détaillées sur:

  • Détermination de la charge morte et poids unitaires des matériaux
  • Charges réelles minimales pour diverses occupations
  • Calculs de la charge de neige basés sur la localisation géographique
  • Détermination de la charge éolienne en utilisant les catégories de pression de vitesse et d'exposition
  • Paramètres de conception sismique et calculs de la force
  • Combinaisons de charge pour la conception de la résistance et de la fonctionnalité
  • Charges spéciales, y compris la pluie, la glace et les pressions du sol

Code international du bâtiment (CBI)

Le code IBC est un modèle élaboré par le Conseil international du code (CCI) et adopté par la plupart des juridictions des États-Unis. Il prévoit des exigences pour la détermination des charges mortes, vivantes, éoliennes et sismiques, entre autres.

Normes de conception spécifiques aux matériaux

Outre les normes générales de charge, les codes spécifiques aux matériaux fournissent des indications supplémentaires:

  • ACI 318: Exigences du code de construction pour le béton de construction
  • Manuel de construction en acier de l'AISC : L'American Institute of Steel Construction (AISC) publie le Manuel de construction en acier, qui comprend des lignes directrices sur le calcul de la charge et des méthodes de conception pour les structures en acier.
  • NDS: Spécifications nationales de conception pour la construction en bois
  • TMS 402/602: Exigences du code de construction pour les structures de maçonnerie

Codes internationaux et régionaux

Différents pays et régions ont leurs propres codes de construction et normes de charge:

  • Eurocode (EN 1990, EN 1991):[ Normes européennes pour la conception structurelle et les charges
  • Code national du bâtiment du Canada (CNB): Exigences canadiennes en matière de codes de construction
  • IS Codes (Inde):[ Normes indiennes pour les charges de conception et la conception structurelle
  • Normes AS/NZS: Normes australiennes et néo-zélandaises en matière de construction

Il est essentiel que les ingénieurs de la structure connaissent les dernières éditions de ces codes et normes, ainsi que toute modification locale ou nationale qui pourrait s'appliquer à leurs projets.

Sujets avancés dans l'analyse de charge

Charges d'impact et effets dynamiques

Une charge d'impact est une charge dont le temps d'application sur un matériau est inférieur au tiers de la période naturelle de vibration de ce matériau. Les charges d'impact sont des charges soudaines appliquées à une structure pendant une courte période de temps par rapport à d'autres charges sur une structure. Les charges d'impact sont causées par la chute des objets / poids vibration de charges réelles, comme les grues mobiles, les véhicules en mouvement, ou les machines vibrantes.

Charges cycliques et de fatigue

Les charges cycliques sur une structure peuvent entraîner des dommages à la fatigue, des dommages cumulatifs ou une défaillance. Ces charges peuvent être répétées sur une structure ou être dues à des vibrations.

Charges thermiques

Les changements de température peuvent entraîner l'expansion et la contraction des matériaux structuraux, créant des contraintes internes.Ces charges sont causées par l'expansion ou la contraction des matériaux à la suite des changements de température, et elles peuvent imposer des contraintes considérables à une structure.

Pressions du sol et hydrostatiques

Pressions hydrostatiques et de terre : Il s'agit de charges sur les structures de soutènement dues aux pressions développées par les matériaux retenus. Elles varient linéairement avec la hauteur des parois. Les parois de sous-sol, les murs de soutènement et les structures de niveau inférieur doivent être conçues pour résister aux pressions latérales de la terre et de l'eau en plus des charges verticales.

Logiciels pour le calcul de charge et l'analyse structurelle

Heureusement, les ingénieurs de la structure ont accès à divers outils et ressources logiciels qui peuvent simplifier le processus de calcul et améliorer la précision. Les logiciels d'analyse structurelle, tels que ETABS, SAP2000 et RISA-3D, fournissent des outils puissants pour les calculs de charge et l'analyse structurelle. Ces logiciels peuvent gérer des combinaisons de charges complexes, des non-linéarités matérielles et des techniques d'analyse avancées, comme FEA.

Le logiciel commun d'analyse structurelle comprend:

  • ETABS: Logiciel intégré d'analyse et de conception des bâtiments
  • SAP2000: Programme d'analyse structurelle à usage général
  • RISA-3D: Analyse et conception structurales tridimensionnelles
  • STAAD.Pro: Logiciel complet d'analyse et de conception structurelle
  • Système de structure RAM:[ Solution complète de conception de bâtiments
  • Tekla Structural Designer: Analyse structurelle intégrée au BIM

Pour estimer les dimensions des éléments structuraux, les ingénieurs utilisent des outils logiciels tels que SAP2000, SAFE, ETABS, MBS, RISA et STAAD-Pro en plus des calculs manuels. Ces instruments calculent la charge axiale sur chaque colonne en distribuant des charges de dalles et de poutres aux colonnes.

Erreurs courantes et meilleures pratiques dans le calcul de la charge

Erreurs courantes à éviter

  • Sous-estimer les charges mortes :[ Ne pas tenir compte de tous les éléments permanents, les finitions et l'équipement peuvent entraîner des éléments structuraux sous-dimensionnés.
  • L'utilisation de valeurs de charge réelles incorrectes :[ L'application de charges réelles résidentielles à des espaces commerciaux ou vice versa peut entraîner des conceptions dangereuses ou peu rentables.
  • Négligence des combinaisons de charges: Conception de charges individuelles sans considérer comment elles peuvent passer outre les scénarios de chargement critique.
  • Ignorer les modifications du code local :[ De nombreuses juridictions modifient les codes standard; vérifient toujours les exigences locales.
  • Calculs de la superficie des affluents : Déterminer incorrectement quelles zones contribuent à la charge de certains éléments structuraux.
  • Imagination de modifications futures :[ Ne tient pas compte des rénovations ou des ajouts d'équipement futurs potentiels.

Meilleures pratiques pour calculer la charge exacte

  • Document Toutes les hypothèses: Enregistrer clairement toutes les hypothèses, propriétés matérielles et références de code utilisées dans les calculs.
  • Utiliser les estimations conservatrices :[ Lorsqu'on ne sait pas avec certitude quel est le poids des matières ou les habitudes d'occupation, on peut s'y tromper du côté de la prudence.
  • Vérifier avec plusieurs méthodes:[ Révérifier les calculs critiques en utilisant différentes approches ou logiciels.
  • Restez en courant avec les codes: Les codes de construction sont régulièrement mis à jour; assurez-vous d'utiliser la dernière version applicable.
  • Charges de construction de Consider:[ Les charges temporaires pendant la construction peuvent parfois dépasser les charges de conception.
  • Coordonné avec d'autres disciplines: Vérifier les poids et les emplacements de l'équipement avec des équipes mécaniques, électriques et architecturales.
  • Analyse de sensibilité :[ Tester comment les variations de charges influent sur la conception pour identifier les paramètres critiques.

Applications et études de cas dans le monde réel

Construction résidentielle

Dans les bâtiments résidentiels, les charges mortes sont généralement constituées de charpentes en bois ou en acier de calibre léger, de murs secs, de matériaux de toiture et de finitions. Les charges vivantes sont généralement de 40 psf pour les zones de vie et de 30 psf pour les zones de couchage.

Bâtiments de bureaux commerciaux

Les bâtiments de bureaux utilisent généralement des charpentes en acier ou en béton pour supporter des charges réelles plus élevées (50 psf pour les bureaux, 100 psf pour les lobbies) et pour accueillir des travées plus grandes pour des plans de plancher flexibles.

Installations industrielles et d'entreposage

Les bâtiments industriels sont confrontés à certaines des charges réelles les plus élevées, souvent de 125 à 250 psf ou plus pour les aires de stockage. Les équipements lourds, le stockage des matériaux et le trafic automobile créent des charges concentrées qui nécessitent des systèmes structuraux robustes.

Structures de stationnement

Les garages de stationnement doivent supporter des charges réelles de 40 à 50 psf pour les voitures particulières et des charges plus élevées pour le stationnement des camions. La conception doit tenir compte des charges d'impact des véhicules, des charges de roues concentrées et des effets des sels de dégivrage sur la durabilité structurelle.

L'importance de comprendre les charges dans la construction moderne

Comprendre les charges mortes et les charges réelles n'est pas seulement un exercice académique, il est fondamental de créer des structures sûres, efficaces et économiques. Les conséquences des calculs de charge inappropriés peuvent aller de problèmes mineurs de fonctionnement à des défaillances structurelles catastrophiques.

Sécurité structurelle

Le but premier des calculs de charge est d'assurer la sécurité de la structure. Les bâtiments doivent résister à toutes les charges prévues pendant toute leur durée de vie sans effondrement ni déformation excessive. Les structures sont conçues pour satisfaire à la fois les exigences de résistance et de facilité d'utilisation.

Efficacité et économie de la conception

Des calculs précis de la charge permettent aux ingénieurs de concevoir des structures qui ne sont ni sur-conçues (déchets de matériaux et coûts) ni sous-conçues (insécurité).

Conformité et exigences légales du Code

Les codes de construction exigent que les structures soient conçues et construites de manière à résister en toute sécurité à toutes les actions auxquelles elles sont susceptibles d'être confrontées pendant leur durée de vie, tout en restant aptes à être utilisées. Les charges ou actions minimales sont précisées dans ces codes de construction pour les types de structures, les emplacements géographiques, l'utilisation et les matériaux de construction.

Longévité et durabilité

Une conception de charge adéquate contribue à la durabilité à long terme des structures en empêchant les surcharges, les déformations excessives et la détérioration prématurée. Les bâtiments conçus avec des considérations de charge appropriées peuvent servir leur but pendant des décennies ou même des siècles avec un entretien approprié.

Aptitude et utilisation future

Lorsque les capacités de charge sont bien documentées, les propriétaires et les ingénieurs peuvent prendre des décisions éclairées au sujet des rénovations, des ajouts d'équipement ou des changements d'occupation sans compromettre l'intégrité structurale.

Conclusion : Maîtriser les calculs de charge pour une conception structurale réussie

Les charges mortes et les charges réelles constituent le fondement de la pratique de l'ingénierie structurelle. Les charges mortes – les forces permanentes et statiques de la structure elle-même et les éléments fixes – fournissent une base de référence prévisible qui peut être calculée avec une grande précision.

Avec des charges environnementales telles que le vent, la neige et les forces sismiques, ces charges doivent être combinées en utilisant des facteurs de charge et des combinaisons appropriés pour représenter des scénarios réels. Le processus exige non seulement une connaissance technique des méthodes de calcul, mais aussi une connaissance des codes de construction, des propriétés des matériaux et du comportement structural.

Alors que l'industrie de la construction continue d'évoluer avec de nouveaux matériaux, des types de construction et des défis de conception, les principes fondamentaux de l'analyse des charges demeurent constants. Que vous soyez étudiant en ingénierie structurelle d'apprentissage, ingénieur-pratique concevant des structures complexes ou un professionnel du bâtiment cherchant à comprendre les forces agissant sur les bâtiments, maîtriser les charges mortes et les charges vivantes est essentiel.

En appliquant les principes, les méthodes et les pratiques exemplaires décrits dans ce guide, vous pouvez vous assurer que vos structures sont sûres, efficaces, conformes aux codes et construites pour durer. L'examen attentif des charges à chaque étape de la conception, depuis le concept initial jusqu'aux calculs détaillés jusqu'à la construction et au-delà, est ce qui sépare les structures adéquates de celles qui servent leurs collectivités de façon sûre et fiable pour les générations à venir.

Ressources supplémentaires pour les ingénieurs de construction

Pour ceux qui cherchent à approfondir leur compréhension des charges et de la conception structurales, envisagez d'explorer ces ressources précieuses :

  • ASCE 7 Norme:[ La référence définitive pour les charges minimales de conception (https://www.asce.org)
  • Conseil du Code international:[ Accès au Code international du bâtiment et aux ressources connexes (https://www.iccsafe.org)
  • Institut d'ingénierie structurelle (SEI):[ Développement professionnel et ressources techniques pour les ingénieurs de la structure
  • Institut national des sciences du bâtiment:[ Construire la recherche scientifique et les meilleures pratiques
  • American Concrete Institute (ICI):[ Normes de conception du béton et matériel éducatif (https://www.concrete.org)

En restant au courant des codes, normes et pratiques exemplaires les plus récents, les ingénieurs de la structure peuvent continuer à faire progresser la sécurité, l'efficacité et l'innovation de l'environnement bâti.