Liste des matériaux du projet de fermes de toit en acier au Pérou et analyse des charges structurelles

Huachipa, Lima Projet de fermes de toit en acier - Liste des matériaux et analyse des charges structurelles

 

 

Ce projet est situé à Huachipa, Lima, Pérou, et se concentre sur la conception et la construction d'un système de fermes de toit en acier (à l'exclusion des colonnes et des composants de murs en acier). Le toit est équipé de panneaux solaires et la conception est strictement conforme aux codes de construction locaux péruviens. Les paramètres clés du projet sont résumés comme suit :

Superficie totale du bâtiment : 8 900 ㎡

Longueur totale : 109 m

Largeur totale : 85 m (aménagement irrégulier avec plusieurs travées)

Tailles de portée (dans la direction de 85 m, portées inégales) : 13 m, 17 m, 25 m, 28 m (portée maximale : 28 m)

Espacement des fermes (espacement des baies) : environ 22 m

Configuration du toit : équipé d'environ 4 400 panneaux solaires (système photovoltaïque)

Portée structurelle : uniquement le système de fermes de toit (fermes, contreventements, tirants, pannes), à l'exclusion des colonnes et des cadres muraux en acier

Codes applicables : codes de construction locaux péruviens

 

 

L'analyse de charge est basée sur les conditions environnementales réelles de Huachipa, Lima, et suit strictement les codes péruviens E.030 (Code sismique), E.050 (Code de charge de vent) et E.070 (Code de charge de neige). Toutes les charges sont calculées en fonction du niveau d'importance des bâtiments industriels (facteur d'importance U=1.0).

 

 

Huachipa, Lima est située dans la zone sismique 4 du Pérou, qui est une zone sismique de haute-intensité. Les paramètres sismiques spécifiques sont les suivants :

Zone sismique : Zone 4, Z=0.45g (accélération maximale du sol)

Type de sol du site : S1 (sol dur), coefficient de site S=1.0

Impact sismique : Le système de fermes de toit nécessite une rigidité sismique suffisante pour résister aux forces sismiques horizontales. Les connexions de fermes et le système de contreventement doivent être conçus de manière conservatrice pour garantir la stabilité structurelle sous l'action sismique.

 

 

Lima est une ville côtière et la région de Huachipa est affectée par les vents côtiers. Les paramètres de charge de vent sont déterminés comme suit :

Pression de base du vent : 0,55 à 0,65 kN/㎡

Effet vent : les panneaux solaires sur le toit augmentent l'effet d'aspiration du vent et de vibration du vent. Le coefficient de forme du toit est amplifié de manière appropriée pour tenir compte de l'impact des panneaux solaires sur la répartition de la charge du vent.

Exigence de résistance au vent : Les fermes de toit, les pannes et le système de contreventement doivent être capables de résister à l'aspiration du vent et à la pression positive du vent, garantissant ainsi l'absence de dommages structurels ou de déformation excessive.

 

 

Huachipa, Lima a un climat côtier tropical sans chutes de neige tout au long de l'année. Par conséquent, la charge de neige de base est déterminée comme suit :

Charge de neige de base S₀ : ≈ 0 kN/㎡

Remarque : Aucune charge de neige supplémentaire n'est prise en compte dans la conception structurelle, mais le système de drainage du toit est conçu pour empêcher l'accumulation d'eau (équivalent à une charge uniforme partielle).

 

 

La charge totale du toit est la somme de la charge permanente, de la charge des panneaux solaires et de la charge utile, qui est nettement supérieure à celle des ateliers industriels ordinaires. Le calcul spécifique est le suivant :

Charge morte du toit (poids propre de la couverture de toit + pannes) : ≈ 0,30 kN/㎡

Charge des panneaux solaires (panneaux solaires + supports) : ≈ 0,18–0,22 kN/㎡

Charge vive de maintenance : 0,50 kN/㎡ (conforme aux normes de construction industrielle péruvienne)

Charge totale sur le toit : ≈ 0,98–1,02 kN/㎡

Remarque : La déflexion des fermes de toit et des pannes doit être contrôlée dans la limite de L/200 (L est la portée des fermes ou des pannes) pour garantir la stabilité du système de panneaux solaires.

 

La sélection des matériaux est basée sur les normes locales en matière d'acier et les exigences de charge du projet, en mettant l'accent sur la durabilité, les performances sismiques et la rentabilité. La liste détaillée du matériel est la suivante :

 

 

Nuance d'acier : norme chinoise Q355B/Q235B (équivalente à A36 dans la norme ASTM), avec une bonne résistance et ductilité, adaptée aux zones sismiques élevées.

Type de rubrique :

Corde supérieure et corde inférieure : H-section en acier - sélectionnée en fonction de la portée et de la charge, avec une plage de tailles de section : H300×150×6×8 à H400×200×8×10 (ajustée en fonction de différentes portées : 13 m/17 m/25 m/28 m).

Membres d'âme : acier d'angle ou acier à section en I-- plage de tailles de section : L75×5 à L100×8 (pour des travées de 13 m/17 m) ; L100×8 à L125×10 (pour portées 25m/28m).

Méthode de connexion : boulons à haute résistance-(grade 10,9) pour la connexion, garantissant une connexion fiable et une résistance sismique.

Traitement : Avec une peinture d'apprêt riche en époxy zinc-en 80 μm

 

 

Catégorie d'acier : norme chinoise Q235B

Type de section : Acier rond (φ16-φ22) ou acier d'angle (L63×5–L80×6), utilisé pour résister aux forces horizontales (sismique, vent) et maintenir la stabilité du système de fermes.

Disposition : le contreventement est placé à des intervalles de 2 à 3 fermes, avec des contreventements transversaux et des contreventements diagonaux disposés en alternance pour former un système résistant aux forces latérales stables.

Traitement : Avec une peinture d'apprêt riche en époxy zinc-en 80 μm

 

 

Catégorie d'acier : norme chinoise Q235B

Type de section : Acier rond (φ20–φ25) ou tube en acier (φ89×4–φ114×4), utilisé pour transférer la tension horizontale entre les fermes et assurer la stabilité globale du toit.

Traitement : Avec une peinture d'apprêt riche en époxy zinc-en 80 μm

 

 

Catégorie d'acier : norme chinoise Q235B

Type de section : acier à section C- ou acier à section Z- (type renforcé, adapté à la charge des panneaux solaires), plage de tailles de section : C160×60×20×2,5 à C220×70×20×3,0 (ajustée en fonction de l'espacement des pannes et de la charge du panneau solaire).

Espacement : environ 1,5 à 2,0 m, garantissant que les pannes peuvent supporter la charge combinée de la couverture de toit et des panneaux solaires sans déformation excessive.

Traitement : Galvanisation 275kg/m³

 

 

Boulons à haute-résistance : grade 10,9, correspondant à la taille de la section des fermes et des contreventements, avec traitement anti-corrosion (galvanisation à chaud-par immersion).

Vis et rivets autotaraudeurs- : acier inoxydable-résistant à la corrosion (qualité 304), utilisé pour relier les pannes et la couverture de toit, ainsi que les supports de panneaux solaires.

Revêtement anti-corrosion : Galvanisation à chaud-par immersion (épaisseur de couche de zinc supérieure ou égale à 80 μm) pour tous les composants en acier, pour s'adapter à l'environnement côtier humide de Lima et assurer la durée de vie.

 

Sur la base des paramètres du projet, de l'analyse des charges et de la sélection des matériaux, la consommation d'acier du système de fermes de toit (uniquement) est estimée comme suit, compte tenu des exigences sismiques élevées de Huachipa, Lima et de la charge supplémentaire des panneaux solaires.

 

 

Combiné avec les conditions d'une portée maximale de 28 m, d'un espacement des fermes de 22 m, d'une charge importante de panneaux solaires et d'une intensité sismique élevée à Lima, l'indice de consommation d'acier du système de fermes de toit est déterminé comme suit :

Fermes de toit + contreventement + tirants : 18–22 kg/㎡

Pannes de toit (type renforcé) : 8–11 kg/㎡

Indice de consommation totale d'acier : 26 à 33 kg/㎡ (en adoptant une valeur moyenne supérieure-supérieure conservatrice de 30 kg/㎡ pour l'estimation, conformément aux exigences du code péruvien)

 

 

Consommation totale d'acier=Superficie totale du bâtiment × Indice de consommation d'acier ÷ 1 000

Calcul : 8 900 ㎡ × 30 kg/㎡ ÷ 1000=267 tonnes

 

 

Conception optimisée économique (charge légère, optimisation raffinée) : ≈ 230 tonnes

Conception conservatrice conventionnelle (conforme aux codes péruviens et aux exigences sismiques de Lima) : ≈ 265-270 tonnes

Charge élevée/Sismique élevée/Conception stricte à grande portée- : ≈ 290 tonnes

 

 

La consommation d'acier ci-dessus comprend uniquement le système de fermes de toit (fermes, contreventements, tirants, pannes), à l'exclusion des colonnes en acier, des cadres muraux et des supports de panneaux solaires.

Si des colonnes en acier sont ajoutées, la consommation totale d'acier augmentera de 10 à 13 kg/㎡ et la consommation totale d'acier sera d'environ 340 à 400 tonnes.

La consommation réelle d'acier peut présenter une fluctuation de ± 10 % une fois la conception détaillée terminée, ce qui est principalement affecté par l'ajustement détaillé des tailles de section et des méthodes de connexion.

Conception sismique : Le système de fermes de toit doit être conçu conformément au code péruvien E.030 (zone sismique 4), et une optimisation excessive n'est pas autorisée pour assurer la sécurité sismique.

Charge du panneau solaire : Les pannes et les membrures supérieures des fermes dans la zone du panneau solaire doivent être renforcées et le contrôle de la déflexion doit être plus strict (dans la limite de L/200) pour éviter d'endommager le système de panneaux solaires.

Exigence anti-corrosion : Il est préférable que tous les composants en acier soient galvanisés à chaud-par immersion pour s'adapter à l'environnement côtier humide de Lima et prolonger la durée de vie de la structure.

Conformité au code : Tous les travaux de conception et de construction doivent être conformes aux codes locaux péruviens RNE / E.030, E.050, E.070 et aux normes industrielles pertinentes.

 

 

La consommation détaillée d'acier est divisée en fonction des quatre travées inégales (13 m, 17 m, 25 m, 28 m), combinées à l'espacement des fermes de 22 m et à la charge des panneaux solaires, et l'indice de consommation d'acier est ajusté en fonction de la taille de la travée (plus la portée est grande, plus l'indice est élevé). La répartition spécifique est la suivante :

Taille de la portée	Longueur de portée (m)	Zone correspondante (environ, ㎡)	Indice de consommation d'acier (kg/㎡)	Consommation d'acier estimée (tonnes)	Remarques
1ère travée	13	2400	25	60	La plus petite portée, la charge la plus légère ; couverture partielle des panneaux solaires
2ème travée	17	2450	28	68.6	Portée moyenne, charge modérée ; couverture partielle des panneaux solaires
3ème travée	25	2250	32	72	Grande portée, charge lourde ; zone de couverture principale des panneaux solaires
4ème travée	28	1800	35	63	Portée maximale, charge la plus lourde ; zone de couverture principale des panneaux solaires
Total	83 (somme des travées)	8900 (superficie totale du bâtiment)	30 (indice moyen)	263.6	Léger écart par rapport à l'estimation totale (± 2 %) en raison des arrondis

Remarque : La superficie correspondante de chaque travée est estimée sur la base de la superficie totale de 8 900 ㎡ et de la proportion de chaque travée dans la largeur totale (85 m), qui est uniquement à titre de référence. La superficie réelle et la consommation d'acier doivent être soumises aux dessins de conception détaillés.

 

Poutres de toit principales principales (sections en H)

- L200×750×12×6 mm

- L250×750×25×6 mm

- L350×750×25×9 mm

- L200×400×16×6 mm

 

Membres secondaires

- Pannes : Z305×76×19×3,0 mm

- Renfort horizontal/latéral : angle en acier de 2"×2"×3/16"

 

 

2.1 Structure principale du toit

- Système de ferme :

18-22 kg/m² → **160,2 – 195,8 tonnes**

- Système de poutres en H (sections profondes, espacement de 22 m, charge photovoltaïque) :

24-30 kg/m² → **213,6 – 267,0 tonnes**

 

2.2 Système de contreventement

- Ferme :

2,5 à 4,0 kg/m² → **22,3 à 35,6 tonnes**

- Poutre en H :

3,5 à 5,0 kg/m² → **31,2 à 44,5 tonnes**

*Raison : les poutres en H ont une rigidité en torsion naturelle moindre ; plus de renfort est nécessaire.*

 

2.3 Pannes

- Les deux systèmes :

Pannes Z305, même chargement et espacement

8 à 11 kg/m² → **71,2 à 97,9 tonnes**

*Presque identique pour les toits à fermes et à poutres en H.*

 

2.4 Comparaison du poids total de l'acier

- Total du toit en ferme :

254 – 329 tonnes

-Total du toit à poutres en H :

316 – 409 tonnes

 

 

3.1 Système de fermes

- Comportement : Forces axiales triangulées (traction/compression uniquement).

- Rigidité : rigidité géométrique élevée, idéale pour les longues portées et le contrôle de la déflexion (critique pour le PV).

- Stabilité : moins dépendante du contreventement ; stabilité inhérente du motif triangulaire.

- Performances sismiques : bonne dissipation d'énergie, légèreté, inertie moindre.

- Efficacité des travées : extrêmement efficace pour les **travées de 25 à 28 m**.

 

3.2 Système de poutres en H

- Comportement : Flexion + cisaillement + efforts axiaux.

- Rigidité : efficacité de flexion inférieure par kg ; sections plus profondes/plus lourdes nécessaires pour correspondre à la déflexion des fermes.

- Stabilité : sujette au déversement ; nécessite un renforcement plus fréquent.

- Performances sismiques : un poids propre plus élevé augmente la demande sismique.

- Constructibilité : fabrication et montage plus simples, mais composants plus lourds.

 

 

 

Similitudes

- Les deux supportent les mêmes charges sur le toit (mort + PV + sous tension + vent).

- La taille, l'espacement et le poids des pannes sont identiques.

- Les deux doivent satisfaire aux limites de déflexion péruviennes (L/200 pour PV).

- Les deux suivent E.030, E.050, E.070 pour Huachipa, Lima.

 

Différences

1. Mécanisme de force :

- Treillis : forces axiales uniquement → très efficace.

- Poutre en H : flexion régie → moins efficace en termes de matériaux.

2. Consommation d’acier :

- Structure principale : la poutre en H utilise +25 % à +40 % d'acier.

- Contreventement : la poutre en H a besoin de +30 % à +40 % de contreventement en plus.

- Pannes : presque pareil.

3. Performances d'envergure :

- Ferme : supérieure pour des portées de 25 à 28 m.

- Poutre en H : nécessite des sections lourdes pour contrôler la déflexion.

4. Comportement sismique :

- Ferme : plus légère, à plus faible inertie, meilleures performances dans la zone 4.

- Poutre en H : charge sismique plus lourde et plus élevée.

5. Coût et construction :

- Ferme : plus de main d'œuvre, moins de matériaux.

- Poutre en H : moins de main d'œuvre, plus de matériaux.

 

 

- Système de ferme :

Utilisation d’acier plus efficace et plus légère, idéale pour les longues portées et les zones sismiques élevées.

Acier total : 254 – 329 tonnes.

 

-Système de poutres en H :

Construction plus simple mais nettement plus lourde.

Acier total : 316 – 409 tonnes.