Descente de Charges sur un Poteau

Descente de Charges sur un Poteau en Béton Armé

Descente de Charges sur un Poteau en Béton Armé

Contexte : Le rôle crucial du poteau

Après avoir déterminé les charges sur une dalle, l'étape suivante de la descente de charges consiste à "collecter" ces charges et à les acheminer vers les fondations. Les poteaux sont les éléments verticaux qui jouent ce rôle fondamental. Ils reprennent les charges des poutres et des dalles des étages supérieurs et les transmettent aux niveaux inférieurs. Le calcul de l'effort normal de compression dans un poteau est donc une étape critique : il s'agit d'additionner toutes les charges qui s'accumulent sur lui, niveau par niveau, sans oublier son propre poids qui augmente à chaque étage.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous guidera dans le calcul de la charge totale supportée par un poteau intérieur au rez-de-chaussée d'un petit bâtiment. Nous déterminerons la surface d'influenceAussi appelée surface tributaire. C'est la zone du plancher dont les charges sont reprises par un élément porteur donné (poteau, poutre). du poteau, calculerons les charges apportées par chaque niveau, et enfin, nous cumulerons ces charges pour trouver l'effort normal ultime (\(N_{Ed}\)) qui servira à dimensionner le poteau.


Objectifs Pédagogiques

  • Déterminer la surface d'influence (ou surface tributaire) d'un poteau.
  • Calculer l'effort normal apporté par un plancher sur un poteau.
  • Calculer le poids propre d'un poteau.
  • Cumuler les charges des différents niveaux pour obtenir l'effort normal total en pied de poteau.
  • Appliquer les combinaisons d'actions ELU et ELS à un élément vertical.

Données de l'étude

On étudie le poteau intérieur P1 (voir schéma) d'un bâtiment de bureaux de 3 niveaux (RDC, Etage 1, Etage 2) plus une toiture-terrasse. On souhaite calculer l'effort normal de compression à la base de ce poteau au niveau du RDC (juste au-dessus des fondations).

Plan d'étage courant et surface d'influence
P1 5.0 m 5.0 m 4.0 m 4.0 m

Caractéristiques géométriques et charges :

  • Portées des poutres : \(5.0 \, \text{m}\) dans une direction, \(4.0 \, \text{m}\) dans l'autre.
  • Nombre de niveaux : 3 (RDC, E1, E2) + Toiture-terrasse.
  • Hauteur d'étage : \(3.0 \, \text{m}\).
  • Section du poteau P1 : \(30 \times 30 \, \text{cm}\) (constante sur toute la hauteur).
  • Charges surfaciques sur les planchers courants (E1, E2) : \(G = 8.0 \, \text{kN/m}^2\), \(Q = 2.5 \, \text{kN/m}^2\).
  • Charges surfaciques sur la toiture-terrasse : \(G_{\text{toit}} = 9.0 \, \text{kN/m}^2\) (inclut étanchéité, isolation), \(Q_{\text{toit}} = 1.0 \, \text{kN/m}^2\) (entretien).
  • Masse volumique du béton armé : \(\rho_{\text{BA}} = 25 \, \text{kN/m}^3\).

Questions à traiter

  1. Déterminer la surface d'influence (\(S\)) du poteau P1.
  2. Calculer les charges permanentes (\(G\)) et d'exploitation (\(Q\)) transmises par un étage courant au poteau P1.
  3. Calculer les charges permanentes (\(G\)) et d'exploitation (\(Q\)) transmises par la toiture-terrasse au poteau P1.
  4. Calculer l'effort normal de compression ultime (\(N_{Ed}\)) à la base du poteau au RDC.

Correction : Descente de Charges sur un Poteau

Question 1 : Déterminer la surface d'influence (\(S\))

Principe avec image animée (le concept physique)
P1 Surface Tributaire

La surface d'influence, ou surface tributaire, d'un poteau est la zone du plancher dont les charges sont considérées comme étant reprises par ce poteau. Pour un poteau intérieur dans une trame régulière, on considère qu'il reprend les charges jusqu'à mi-portée des poutres qui l'encadrent. La surface d'influence est donc un rectangle centré sur le poteau, dont les dimensions sont les demi-portées dans chaque direction.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Cette méthode des surfaces tributaires est une simplification. En réalité, la distribution des charges dépend de la rigidité relative des poutres et des dalles. Cependant, pour des structures de bâtiment courantes avec des trames régulières, cette approche est considérée comme suffisamment précise et sécuritaire pour le pré-dimensionnement et le dimensionnement des éléments.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Point Clé : Le dessin est votre meilleur ami ! Avant tout calcul, faites un schéma rapide du plancher, positionnez le poteau et hachurez sa surface d'influence. Cela évite les erreurs de calcul des dimensions de cette surface, surtout pour les poteaux de rive ou de coin où la surface n'est plus un simple rectangle complet.

Normes (la référence réglementaire)

Eurocode 1 (NF EN 1991-1-1) § 6.1 : Bien que la norme ne définisse pas explicitement la méthode des surfaces tributaires, elle est la base de l'application des charges surfaciques définies dans la norme aux éléments porteurs. C'est une méthode consacrée par la pratique de l'ingénierie.

Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que la dalle porte dans les deux directions et que les charges se répartissent équitablement entre les poteaux. La trame est considérée comme régulière.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Surface d'influence :

\[ S = (\frac{L_x}{2} + \frac{L_x}{2}) \times (\frac{L_y}{2} + \frac{L_y}{2}) = L_x \times L_y \]
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Portée dans la direction x : \(L_x = 5.0 \, \text{m}\)
  • Portée dans la direction y : \(L_y = 4.0 \, \text{m}\)
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul de la surface :

\[ \begin{aligned} S &= 5.0 \, \text{m} \times 4.0 \, \text{m} \\ &= 20.0 \, \text{m}^2 \end{aligned} \]
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le poteau P1 doit supporter les charges provenant d'une surface de 20 m² de plancher à chaque niveau. Cette valeur est la base pour transformer les charges surfaciques (en kN/m²) en charges ponctuelles (en kN) appliquées au poteau.

Point à retenir : La surface d'influence d'un poteau intérieur est le produit des portées des poutres qui le rejoignent.

Justifications (le pourquoi de cette étape)

Déterminer la surface d'influence est la première étape indispensable pour passer des charges surfaciques (sur la dalle) à une charge ponctuelle (sur le poteau). Sans cette surface, la descente de charges ne peut pas commencer.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Confondre portées et demi-portées : Pour un poteau de rive, la surface d'influence est \(L_x \times (L_y/2)\). Pour un poteau de coin, c'est \((L_x/2) \times (L_y/2)\). Ne pas diviser les portées pour les poteaux en bordure est une erreur courante.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
Résultat Final : La surface d'influence du poteau P1 est \(S = 20.0 \, \text{m}^2\).

À vous de jouer : Quelle serait la surface d'influence d'un poteau de coin dans la même trame ?

Question 2 : Calculer les charges par étage courant

Principe avec image animée (le concept physique)
Surface d'influence (S) Charge ponctuelle N = p x S

Une fois la surface d'influence connue, on peut calculer la charge ponctuelle que chaque niveau de plancher applique sur le poteau. Il suffit de multiplier la charge surfacique du plancher (en kN/m²) par la surface d'influence du poteau (en m²). Le résultat est un effort normal (en kN) qui s'ajoute à la compression dans le poteau.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Cette étape transforme une charge répartie (pression) en une force concentrée. C'est un principe de base en mécanique statique. L'effort normal \(N\) est l'intégrale de la pression \(p\) sur la surface \(S\). Pour une pression uniforme, cela se simplifie à \(N = p \times S\).

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Point Clé : Il est essentiel de bien séparer les charges permanentes (G) des charges d'exploitation (Q) à cette étape. Ne les additionnez pas encore ! Elles seront combinées plus tard avec des coefficients de sécurité différents.

Normes (la référence réglementaire)

Eurocode 1 (NF EN 1991-1-1) : Les valeurs de \(G\) et \(Q\) utilisées proviennent de cette norme (ou d'un calcul détaillé comme dans l'exercice précédent). La méthode de multiplication par la surface d'influence est une application directe de ces charges.

Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que les charges surfaciques \(G\) et \(Q\) sont uniformes sur toute la surface d'influence. C'est une hypothèse standard pour le calcul global.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Charge permanente par niveau :

\[ N_{G, \text{étage}} = G_{\text{plancher}} \times S \]

Charge d'exploitation par niveau :

\[ N_{Q, \text{étage}} = Q_{\text{plancher}} \times S \]
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • \(S = 20.0 \, \text{m}^2\)
  • \(G_{\text{plancher}} = 8.0 \, \text{kN/m}^2\)
  • \(Q_{\text{plancher}} = 2.5 \, \text{kN/m}^2\)
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul de la charge permanente par étage :

\[ \begin{aligned} N_{G, \text{étage}} &= 8.0 \, \text{kN/m}^2 \times 20.0 \, \text{m}^2 \\ &= 160.0 \, \text{kN} \end{aligned} \]

Calcul de la charge d'exploitation par étage :

\[ \begin{aligned} N_{Q, \text{étage}} &= 2.5 \, \text{kN/m}^2 \times 20.0 \, \text{m}^2 \\ &= 50.0 \, \text{kN} \end{aligned} \]
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Chaque plancher courant ajoute 160 kN (environ 16 tonnes) de charge permanente et 50 kN (5 tonnes) de charge d'exploitation sur le poteau. Ces valeurs s'accumuleront d'étage en étage.

Point à retenir : L'effort normal apporté par un plancher est la charge surfacique (G ou Q) multipliée par la surface d'influence.

Justifications (le pourquoi de cette étape)

Cette étape est nécessaire pour quantifier la contribution de chaque niveau à l'effort total dans le poteau. Elle permet de "discrétiser" les charges pour pouvoir les sommer verticalement.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Utiliser la mauvaise charge surfacique : Il est crucial d'utiliser les charges du plancher courant (\(G\) et \(Q\)) pour les étages, et non celles de la toiture, qui sont différentes et seront calculées à l'étape suivante.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
Résultat Final : Chaque étage courant transmet \(N_{G} = 160 \, \text{kN}\) et \(N_{Q} = 50 \, \text{kN}\) au poteau.

À vous de jouer : Calculez \(N_G\) et \(N_Q\) pour un étage avec S=25 m², G=7.5 kN/m² et Q=1.5 kN/m².

Question 3 : Calculer les charges de la toiture-terrasse

Principe avec image animée (le concept physique)

Le principe est identique à celui d'un étage courant. La toiture a sa propre composition (charges permanentes G) et son propre usage (charges d'exploitation Q, ici pour l'entretien). On multiplie ces charges surfaciques spécifiques à la toiture par la même surface d'influence pour obtenir les efforts normaux qu'elle transmet au poteau du dernier niveau.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Les charges d'exploitation de toiture sont généralement plus faibles que celles des planchers, car elles ne concernent que l'accès pour l'entretien, sauf cas particulier (toiture accessible au public, héliport...). En revanche, les charges permanentes peuvent être plus élevées à cause du poids des complexes d'étanchéité, d'isolation et de protection (gravillons, dalles sur plots).

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Point Clé : Soyez toujours attentif à la composition spécifique de la toiture. Une toiture-terrasse végétalisée, par exemple, aura une charge permanente beaucoup plus importante en raison du poids de la terre et de la rétention d'eau.

Normes (la référence réglementaire)

Eurocode 1 (NF EN 1991-1-1), § 6.3.4 : Cette section traite des charges sur les toitures. Elle définit la catégorie H pour les toitures non accessibles, avec une charge d'exploitation forfaitaire pour l'entretien.

Hypothèses (le cadre du calcul)

On considère que la toiture n'est pas accessible au public et que la charge d'exploitation est uniquement due à l'entretien. On néglige les charges climatiques (neige) pour cet exemple simplifié, mais elles devraient être prises en compte dans un cas réel.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Charge permanente de la toiture :

\[ N_{G, \text{toit}} = G_{\text{toit}} \times S \]

Charge d'exploitation de la toiture :

\[ N_{Q, \text{toit}} = Q_{\text{toit}} \times S \]
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • \(S = 20.0 \, \text{m}^2\)
  • \(G_{\text{toit}} = 9.0 \, \text{kN/m}^2\)
  • \(Q_{\text{toit}} = 1.0 \, \text{kN/m}^2\)
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul de la charge permanente de la toiture :

\[ \begin{aligned} N_{G, \text{toit}} &= 9.0 \, \text{kN/m}^2 \times 20.0 \, \text{m}^2 \\ &= 180.0 \, \text{kN} \end{aligned} \]

Calcul de la charge d'exploitation de la toiture :

\[ \begin{aligned} N_{Q, \text{toit}} &= 1.0 \, \text{kN/m}^2 \times 20.0 \, \text{m}^2 \\ &= 20.0 \, \text{kN} \end{aligned} \]
Réflexions (l'interprétation du résultat)

La toiture apporte une charge permanente (180 kN) plus élevée que celle d'un étage courant (160 kN), mais une charge d'exploitation (20 kN) bien plus faible (contre 50 kN). C'est logique, car la toiture a plus de couches (étanchéité, isolation) mais moins d'usage.

Point à retenir : Les charges de toiture sont spécifiques et doivent être calculées séparément des charges des planchers courants.

Justifications (le pourquoi de cette étape)

Cette étape est nécessaire pour quantifier la charge provenant du sommet de la structure. C'est le point de départ de l'accumulation des charges le long du poteau.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Négliger les charges d'entretien : Même une toiture "inaccessible" doit être conçue pour supporter une charge minimale pour permettre l'accès du personnel de maintenance, des équipements, et d'éventuels stocks temporaires de matériaux.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
Résultat Final : La toiture transmet \(N_{G} = 180 \, \text{kN}\) et \(N_{Q} = 20 \, \text{kN}\) au poteau.

À vous de jouer : Calculez les charges de toiture pour S=15 m², G_toit=10 kN/m² et Q_toit=1.0 kN/m².

Question 4 : Calculer l'effort normal ultime (\(N_{Ed}\)) à la base du poteau

Principe avec image animée (le concept physique)
Toiture Etage 2 Etage 1 RDC

L'effort total à la base du poteau est la somme de toutes les charges qui lui sont appliquées au-dessus. Cela inclut les charges des 2 étages courants, les charges de la toiture, et le poids propre des 3 niveaux de poteau (celui du RDC, de l'Etage 1 et de l'Etage 2). On somme d'abord toutes les charges permanentes (G), puis toutes les charges d'exploitation (Q), et enfin on applique la combinaison ELU \(1.35G + 1.5Q\) sur les totaux.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La descente de charge est un processus cumulatif. La charge dans un poteau au niveau \(n\) est égale à la charge du poteau au niveau \(n+1\) (juste au-dessus) à laquelle on ajoute les charges du plancher du niveau \(n+1\) et le poids propre du poteau entre ces deux niveaux. On part donc du haut (toiture) et on "descend" en ajoutant les charges à chaque étage.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Point Clé : Pour éviter les erreurs, il est conseillé de faire un tableau récapitulatif des charges G et Q pour chaque niveau (planchers et poteaux), de faire la somme de chaque colonne (ΣG et ΣQ), et seulement à la fin d'appliquer la formule de combinaison \(1.35 \Sigma G + 1.5 \Sigma Q\).

Normes (la référence réglementaire)

Eurocode 0 (NF EN 1990), Équation (6.10) : Cette équation de combinaison d'actions est fondamentale. Elle s'applique de la même manière aux charges surfaciques (pour une dalle) ou aux efforts normaux (pour un poteau).

Hypothèses (le cadre du calcul)

On calcule l'effort à la base du poteau du RDC, c'est-à-dire l'effort qui sera transmis aux fondations. On inclut donc le poids propre du poteau du RDC. La hauteur de chaque poteau est supposée égale à la hauteur d'étage.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Poids propre d'un poteau :

\[ N_{G, \text{poteau}} = (\text{section}) \times \text{hauteur} \times \rho_{\text{BA}} \]

Effort normal ultime :

\[ N_{Ed} = 1.35 \times \Sigma G + 1.5 \times \Sigma Q \]
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Charges d'un étage (x2) : \(N_{G, \text{étage}} = 160.0 \, \text{kN}\), \(N_{Q, \text{étage}} = 50.0 \, \text{kN}\)
  • Charges de la toiture (x1) : \(N_{G, \text{toit}} = 180.0 \, \text{kN}\), \(N_{Q, \text{toit}} = 20.0 \, \text{kN}\)
  • Poteau : section \(0.3 \times 0.3 \, \text{m}\), hauteur \(3.0 \, \text{m}\), \(\rho_{\text{BA}} = 25 \, \text{kN/m}^3\), nombre de niveaux = 3.
Calcul(s) (l'application numérique)

1. Poids propre total des 3 poteaux :

\[ \begin{aligned} \Sigma G_{\text{poteaux}} &= 3 \times (0.3 \, \text{m} \times 0.3 \, \text{m} \times 3.0 \, \text{m} \times 25 \, \text{kN/m}^3) \\ &= 3 \times 6.75 \, \text{kN} \\ &= 20.25 \, \text{kN} \end{aligned} \]

2. Somme totale des charges permanentes :

\[ \begin{aligned} \Sigma G &= (2 \times N_{G, \text{étage}}) + N_{G, \text{toit}} + \Sigma G_{\text{poteaux}} \\ &= (2 \times 160.0) + 180.0 + 20.25 \\ &= 320.0 + 180.0 + 20.25 \\ &= 520.25 \, \text{kN} \end{aligned} \]

3. Somme totale des charges d'exploitation :

\[ \begin{aligned} \Sigma Q &= (2 \times N_{Q, \text{étage}}) + N_{Q, \text{toit}} \\ &= (2 \times 50.0) + 20.0 \\ &= 100.0 + 20.0 \\ &= 120.0 \, \text{kN} \end{aligned} \]

4. Calcul de l'effort normal ultime :

\[ \begin{aligned} N_{Ed} &= 1.35 \times \Sigma G + 1.5 \times \Sigma Q \\ &= (1.35 \times 520.25) + (1.5 \times 120.0) \\ &= 702.34 + 180.0 \\ &= 882.34 \, \text{kN} \end{aligned} \]
Réflexions (l'interprétation du résultat)

L'effort de compression ultime que le poteau du RDC doit pouvoir supporter est de 882.34 kN (environ 88 tonnes). On remarque que le poids propre des poteaux (20.25 kN) est très faible par rapport aux charges des planchers qu'ils supportent. C'est cette valeur de \(N_{Ed}\) qui sera utilisée pour calculer le ferraillage du poteau.

Point à retenir : L'effort normal dans un poteau est le cumul de toutes les charges des planchers au-dessus de lui, ainsi que de son propre poids cumulé sur tous les niveaux.

Justifications (le pourquoi de cette étape)

Ce calcul final synthétise l'ensemble de la descente de charges pour l'élément vertical étudié. Il fournit la sollicitation de dimensionnement principale pour le poteau, qui est l'effort normal de compression.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Oublier le poids propre des poteaux : C'est une erreur fréquente. Bien que souvent faible par rapport au reste, le poids des poteaux des étages supérieurs doit être inclus dans la charge totale. Oublier un niveau de plancher est une erreur encore plus grave.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
Résultat Final : L'effort normal ultime à la base du poteau P1 est \(N_{Ed} = 882.34 \, \text{kN}\).

À vous de jouer : Calculez \(N_{Ed}\) pour le même poteau mais sous l'étage 2 (il ne reprend donc que la toiture et son propre poids).


Outil Interactif : Calculateur de Charge sur Poteau

Modifiez les paramètres pour voir l'influence sur l'effort normal ultime.

Paramètres du Projet
Résultats
ΣG total (kN) -
ΣQ total (kN) -
Effort Ultime N_Ed (kN) : -

Pour Aller Plus Loin : Poteaux soumis à la Flexion

Au-delà de la compression simple : Cet exercice se concentre sur l'effort normal. En réalité, la plupart des poteaux sont également soumis à des moments de flexion, notamment les poteaux de rive dans les structures contreventées par portiques. Le dimensionnement doit alors être mené en "flexion composée", en vérifiant que la section peut résister à la fois à l'effort normal et au moment fléchissant. Cela conduit à des diagrammes d'interaction complexes.


Le Saviez-Vous ?

Le phénomène de "flambement" est un risque majeur pour les poteaux élancés (c'est-à-dire hauts et fins). Sous l'effet d'une forte compression, un poteau peut brutalement fléchir latéralement et rompre, même si la contrainte de compression dans le matériau est inférieure à sa limite de résistance. Les règles de calcul des poteaux incluent donc des vérifications complexes pour prendre en compte ce risque d'instabilité.


Foire Aux Questions (FAQ)

Comment fait-on pour un poteau de rive ?

Pour un poteau de rive, la surface d'influence est réduite de moitié dans la direction perpendiculaire à la façade. Par exemple, dans notre cas, si P1 était en rive, sa surface d'influence serait de \(5.0 \, \text{m} \times (4.0/2) \, \text{m} = 10 \, \text{m}^2\). De plus, il faudrait aussi calculer le moment de flexion transmis par les poutres de rive.

Les charges de vent sont-elles reprises par les poteaux ?

Oui. Les forces de vent appliquées sur les façades sont transmises aux planchers (qui agissent comme des poutres horizontales rigides), puis aux éléments de contreventement (murs de refend, noyaux centraux, ou les portiques formés par les poteaux et les poutres). Ces efforts génèrent des sollicitations supplémentaires (flexion, effort tranchant, et parfois traction) dans les poteaux.


Quiz Final : Testez vos connaissances

1. La surface d'influence d'un poteau de coin avec des portées de 6m et 8m est de :

2. Pour calculer l'effort normal à la base d'un poteau au RDC d'un bâtiment de 5 étages, on doit inclure le poids propre de :


Descente de Charges
Processus de calcul qui consiste à suivre le cheminement des forces depuis leur point d'application jusqu'aux fondations.
Surface d'Influence (Tributaire)
Zone d'un plancher dont les charges sont reprises par un élément porteur spécifique (poteau, poutre, etc.).
Effort Normal (N)
Sollicitation interne à un élément, agissant perpendiculairement à sa section transversale. Pour un poteau, il s'agit principalement d'un effort de compression.
Flambement
Phénomène d'instabilité d'un élément élancé soumis à une forte compression, qui entraîne une déformation transversale brutale et une rupture.
Fondamentaux du Béton Armé : Descente de Charges sur un Poteau

D’autres exercices de béton armé:

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *