Dans les bâtiments en acier-à plusieurs étages et-de grande hauteur, les colonnes doivent souvent résister à des exigences de flexion comparables dans deux directions perpendiculaires, en particulier aux emplacements des coins et des noyaux ou à l'intérieur des cadres composites en béton armé de -acier-béton (SRC). Une section H-conventionnelle a un axe fort et un axe faible, donc une seule orientation peut devenir peu rentable ou sous-utilisée. La colonne cruciforme en acier, également connue sous le nom de colonne en forme de croix-ou en forme de plus-, est une section soudée-qui résout ce problème en fournissant une rigidité et une résistance presque identiques sur les deux axes principaux.
Qu'est-ce qu'une colonne cruciforme en acier ?
Une colonne cruciforme est un élément structurel dont la section transversale- prend la forme d'un signe plus. Il est normalement fabriqué en soudant deux sections en T- (divisées longitudinalement à partir d'une poutre en H-) à l'âme d'une section principale en H-, de sorte que les âmes se croisent au centre et que les quatre ailes forment les quatre bras de la croix. La section finie se comporte comme un élément bi-symétrique, ce qui signifie que son rayon de giration et sa rigidité en flexion sont très proches dans les deux directions orthogonales.
Principaux composants
Toiles :les plaques longitudinales qui se croisent qui forment le noyau central de la section et supportent la majorité de la charge axiale.
Brides :les quatre bras extérieurs qui résistent principalement aux moments de flexion et fournissent la surface d'appui pour les connexions de poutres.
Raidisseurs transversaux et longitudinaux :plaques ajoutées à intervalles pour contrôler le flambage local des plaques et répartir les forces concentrées.
Diaphragmes internes :plaques placées au niveau des zones de connexion des poutres-à-colonnes pour transférer les forces en douceur à travers le noyau fermé.
Plaques de base et poutres à sabots :des assemblages de fond lourds qui ancrent la colonne à la fondation en béton.
Goujons de cisaillement :fixations soudées utilisées lorsque la colonne est encastrée dans le béton, pour développer une action composite entre l'acier et le béton.
Principaux avantages techniques des colonnes cruciformes
Rigidité biaxiale égale
La section étant symétrique par rapport aux deux axes principaux, il n’y a pas d’axe faible prononcé. Pour les poteaux qui doivent résister aux forces du vent ou aux forces sismiques de n’importe quelle direction, cela simplifie la conception et évite d’avoir à orienter la section avec précision.
Haute résistance à la torsion
Par rapport aux sections ouvertes, la configuration des âmes croisées confère au poteau cruciforme une rigidité en torsion plus élevée, ce qui est précieux pour les poteaux d'angle et les assemblages où les poutres s'encadrent dans quatre directions.
Bonne ductilité sismique
La géométrie ductile et compacte permet une dissipation d'énergie stable sous charge cyclique. Lorsqu'elle est remplie ou enrobée de béton-, la section composite combine le confinement du béton environnant avec la résistance du noyau en acier, qui est largement utilisé dans les régions à haute -sismique-intensité.
Efficacité spatiale
L'empreinte compacte d'une colonne cruciforme peut être dissimulée plus facilement à l'intérieur des cloisons de séparation qu'une section à larges ailes-, ce qui augmente la surface au sol utilisable dans les tours de bureaux et d'habitations.
Pour les projets avec des limites strictes de déflexion ou de vibration, la conception doit toujours être vérifiée par rapport au code en vigueur, tel que GB 50017 pour les projets en Chine, AISC 360 pour l'Amérique du Nord ou le code national pertinent sur le site du projet.
Colonne cruciforme en acier vs colonne à section H-
| Article de comparaison | Colonne de section H- | Colonne cruciforme (en forme de croix-) |
|---|---|---|
| Coupe transversale- | Forme en H, mono-symétrique autour d'un axe | Forme plus, bi-symétrique autour des deux axes |
| Comportement en flexion | Axe fort et axe faible ; capacité inférieure autour de l'axe faible | Rigidité et capacité presque égales dans les deux sens |
| Résistance à la torsion | Relativement faible | Plus élevé, en raison du noyau Web qui se croise |
| Fabrication | Sections standards-laminées à chaud ou simple soudage de plaques | Construction- : séparation de poutres en H-, ajustement de sections en T-et soudage à plusieurs-passes |
| Flexibilité de connexion | Les poutres s'encadrent généralement sur la face de la bride | Permet aux poutres de s'encadrer dans quatre directions avec des détails nets |
| Position typique des coûts | Intrant de fabrication inférieur par tonne | Un coût de fabrication plus élevé, justifié là où une capacité biaxiale est nécessaire |
| Applications typiques | Châssis bas- et moyen-, bâtiments industriels, entrepôts | Noyaux-de grande hauteur, charpentes composites SRC, bâtiments publics-de longue portée, zones sismiques-élevées |
Le choix entre les deux profils est une décision de conception. Les sections en H- restent la solution la plus économique pour les cadres ordinaires avec une flexion majoritairement uni-directionnelle. Les colonnes cruciformes sont sélectionnées lorsqu'une résistance multidirectionnelle uniforme, une rigidité en torsion élevée ou une dissimulation compacte sont requises.
Processus de fabrication et contrôle qualité
L'itinéraire de magasin typique pour une colonne en forme de croix-est le suivant :
Préparation du matériel :découpe de plaques à la flamme CNC ou au plasma, suivie d'une préparation du biseau des bords pour des soudures à pénétration totale-.
Assemblage de section H- :Les plaques d'âme et de bride sont soudées dans une section en H- et redressées pour éliminer la distorsion du soudage.
Fractionnement longitudinal :la section H-est coupée le long de la ligne médiane de l'âme pour produire deux sections en T-avec une géométrie correspondante.
Assemblage et soudure cruciforme :les deux sections en T-sont positionnées sur l'âme de la section principale en H-et soudées, normalement par soudage à l'arc submergé (SAW) dans des séquences contrôlées pour limiter la distorsion.
Montage et contrôle :les raidisseurs, les corbeaux et les plaques de base sont installés, suivis de contrôles dimensionnels et de tests non destructifs (CND).
Les qualifications des procédures de soudage doivent être conformes à AWS D1.1 et l'exécution de la fabrication à la norme EN 1090 lorsque le cadre européen s'applique. Les soudures critiques sont généralement examinées par des tests par ultrasons (UT) ou par particules magnétiques (MT), et la traçabilité des matériaux est documentée par des certificats d'usine délivrés conformément à la norme EN 10204. Le pré-atelier de nœuds complexes est recommandé pour confirmer l'alignement des trous avant la livraison.
La protection contre la corrosion doit être conforme à la norme ISO 12944 : pour une exposition extérieure ou marine, un apprêt riche en zinc-avec une couche intermédiaire époxy et une couche de finition en polyuréthane, ou une galvanisation à chaud-par immersion, est généralement spécifié ; le système exact dépend de la catégorie de corrosivité du site du projet.
Applications typiques des colonnes cruciformes en acier
Immeubles-de grande hauteur et très-de grande hauteur :colonnes centrales et périmétriques dans des cadres composites en acier-béton, où la résistance biaxiale et la performance sismique sont essentielles.
Structures composites SRC :colonnes en béton-renforcé-en acier qui combinent un noyau en acier cruciforme avec une enveloppe en béton armé et des goujons de cisaillement.
Bâtiments publics-de longue portée :stades, terminaux d'aéroport et halls d'exposition où les colonnes supportent de lourdes fermes spatiales et des systèmes de toiture.
Installations industrielles :colonnes porteuses principales-soumises à des charges dynamiques ou d'impact.
Plateformes en acier à plusieurs-niveaux :cadres porteurs indépendants-pour les équipements de traitement et les structures mezzanine.
Vous pouvez consulter la gamme complète de colonnes et de poutres soudées dans la catégorie de produits Colonnes et poutres.
Foire aux questions
Comment est fabriquée une colonne cruciforme en acier ?La voie conventionnelle consiste à assembler une section H-, à la diviser longitudinalement en deux sections en T - et à souder les sections en T - à l'âme d'une autre section H - pour former la croix. Le processus est mature et bien adapté aux grandes sections transversales-et aux capacités de charge axiale élevées.
Quand dois-je choisir une colonne cruciforme au lieu d'une section en H - ?Choisissez un poteau cruciforme lorsque le poteau doit résister à une flexion importante dans deux directions, lorsque des assemblages de poutres à quatre voies sont requis, lorsque la rigidité en torsion est importante ou lorsque l'empreinte du poteau doit être dissimulée à l'intérieur des murs. Pour les cadres simples-directionnels, une section en H-est généralement plus économique.
Quels types de connexions sont couramment utilisés pour les colonnes cruciformes ?Les connexions de plaques de base, les épissures de colonnes, les connexions de poutres-à-colonnes et les connexions de contreventement sont toutes standards. Dans les cadres spatiaux ou les systèmes de fermes, les éléments sont souvent connectés à des goussets avec des boulons ou des soudures à haute résistance -, détaillés conformément au code de conception en vigueur.
Quelle protection contre la corrosion est recommandée ?Pour les environnements intérieurs secs, un apprêt alkyde anti-corrosif avec une couche de finition est généralement suffisant. Pour les environnements exposés ou marins, une galvanisation à chaud-par immersion ou un système multi-couche d'apprêt riche en zinc-, une couche intermédiaire époxy en oxyde de fer micacé et une couche de finition en polyuréthane doivent être spécifiés, le système étant sélectionné selon la catégorie de corrosivité ISO 12944.
Comment est vérifiée la qualité des soudures sur les colonnes cruciformes ?Les soudures sur le terrain et en atelier sur les nœuds qui se croisent sont essentielles. Le soudage doit être effectué par des soudeurs qualifiés conformément à AWS D1.1 ou au code applicable, et les soudures critiques sont généralement soumises à 100 % de tests par ultrasons (UT) avec suivi de particules magnétiques (MT) -si nécessaire.
Les colonnes cruciformes peuvent-elles être utilisées dans des structures composites (SRC) ?Oui. Le noyau cruciforme en acier peut être enveloppé dans du béton armé avec des goujons de cisaillement soudés aux brides et à l'âme, créant ainsi une colonne en béton-renforcé-en acier qui combine une capacité axiale élevée avec d'excellentes performances sismiques.