Montage de charpentes d'acier
Introduction au montage structural
Le montage de charpentes d'acier est l'opération qui consiste à assembler sur le chantier les éléments structurels préfabriqués en usine (colonnes, poutres, poutrelles, contreventements) pour former la structure portante d'un bâtiment ou d'un ouvrage de génie civil. Pour l'examen Sceau rouge, vous devez maîtriser non seulement les techniques de levage et d'assemblage, mais aussi la séquence d'érection, les tolérances dimensionnelles, les connexions boulonnées et soudées, ainsi que la stabilité temporaire de la structure en cours de montage.
Le code de pratique de référence est la norme CSA S16 (Règles de calcul des charpentes en acier), ainsi que le Code de sécurité pour les travaux de construction (Règlement sur la santé et la sécurité au travail, partie II du Code canadien du travail pour les chantiers fédéraux, ou la législation provinciale applicable). La norme CSA S16:19 définit les exigences de conception, tandis que le Guide de montage de l'ICCA (Institut canadien de la construction en acier) fournit les pratiques recommandées pour l'érection.
Planification et préparation du chantier
Étude des plans et devis
Avant toute opération de levage, vous devez effectuer une lecture approfondie des plans d'atelier (shop drawings) et des plans d'érection. Ces documents indiquent :
Le numéro de chaque pièce (mark number) et son poids
Les types de connexions (boulonnées, soudées, ou mixtes)
Les tolérances d'installation (généralement ± 5 mm pour l'alignement des colonnes)
Les contre-flèches (camber) requises pour les poutres
Les séquences d'érection recommandées par l'ingénieur
Tableau 1 : Informations typiques sur un plan d'érection
| Élément | Information fournie | Exemple |
|---|
| Colonne | Mark, niveau, orientation | C-12, Élév. +4,500 m |
| Poutre | Mark, portée, contre-flèche | B-34, 12,0 m, 25 mm |
| Contreventement | Type, angle, connexions | X-bracing, L76×76×6 |
| Plancher | Type de dalle, épaisseur | Dalle composite, 75 mm |
Vérification des fondations et ancrages
Les tiges d'ancrage (anchor bolts) doivent être vérifiées avant l'érection :
Position : tolérance de ± 3 mm par rapport au plan théorique
Projection au-dessus du béton : conforme aux plans
Filetage : propre, non endommagé, lubrifié si nécessaire
Alignement : les tiges doivent être perpendiculaires à la surface de la fondation
La plateforme de nivellement (leveling plate) ou les plaques d'appui (base plates) doivent être installées avec une précision de ± 1,5 mm en élévation. Un mortier de calage non-gonflant est utilisé après l'alignement final des colonnes.
Réception et entreposage des matériaux
Les pièces d'acier sont livrées par camion et doivent être :
Vérifiées contre la liste d'expédition (shipping list)
Inspectées pour les dommages de transport (déformations, fissures, corrosion)
Entreposées sur des cales en bois (dunnage) pour éviter le contact avec le sol
Triées par mark number pour faciliter l'érection
Attention : Les pièces endommagées doivent être signalées immédiatement et ne jamais être installées sans l'approbation de l'ingénieur.
Équipement de levage et accessoires
Grues et capacité de levage
Le choix de la grue dépend de :
Le poids des pièces les plus lourdes
La portée et la hauteur requises
Les obstacles sur le chantier
L'espace disponible pour l'installation de la grue
La capacité nominale d'une grue est réduite par :
La longueur de la flèche (boom)
L'angle de la flèche
Les mouvements de rotation et de translation
Les conditions de vent (généralement, arrêt au-delà de 40 km/h pour les opérations de levage)
Formule de charge nette :
Charge nette = Capacité nominale − Poids de l'accessoire (crochet, élingues, manilles)
Élingues et accessoires d'élingage
Les élingues peuvent être en :
Câble d'acier (wire rope) : résistant à l'abrasion, mais rigide
Chaîne : flexible, résistante à la chaleur, mais lourde
Sangle synthétique (nylon/polyester) : légère, protège la surface de l'acier, mais sensible aux coupures
Tableau 2 : Capacité des élingues en câble d'acier (6×19, âme en fibre, facteur de sécurité 5)
| Diamètre du câble (mm) | Charge de travail maximale (kg) |
|---|
| 10 | 1 100 |
| 13 | 1 900 |
| 16 | 2 900 |
| 19 | 4 100 |
| 22 | 5 600 |
| 25 | 7 300 |
Angle des élingues : L'angle entre l'élingue et la verticale ne doit pas dépasser 60°. La tension dans chaque brin augmente lorsque l'angle diminue.
Formule de tension dans un brin :
T = (P / n) × (1 / cos θ)
Où :
T = tension dans chaque brin (kN)
P = poids de la charge (kN)
n = nombre de brins
θ = angle entre l'élingue et la verticale
Exemple : Charge de 10 kN avec 2 brins à 45° :
T = (10 / 2) × (1 / cos 45°) = 5 × 1,414 = 7,07 kN
Manilles et crochets
Les manilles (shackles) sont classées par leur charge de travail sécuritaire (SWL) et doivent être vérifiées pour :
L'absence de déformation (ouverture de la gorge)
L'usure de la broche (pin)
La présence de marquage de la capacité
Les crochets de levage doivent être munis d'un verrou de sécurité (safety latch) et ne jamais être chargés sur la pointe.
Techniques d'érection
Levage des colonnes
Les colonnes sont levées à l'aide d'une élingue à deux brins attachée près du centre de gravité. Pour les colonnes hautes, un bras de levage (spreader bar) est utilisé pour réduire l'angle des élingues et éviter la flexion de la colonne.
Procédure d'érection d'une colonne :
73.Nettoyer la plaque d'appui et vérifier le niveau du mortier
74.Attacher l'élingue au point de levage désigné (souvent marqué d'un autocollant)
75.Lever lentement et guider la colonne avec des cordes de guidage (tag lines)
76.Positionner la colonne sur les tiges d'ancrage
77.Installer les écrous et les rondelles, serrer à la main
78.Vérifier la verticalité avec un niveau ou un théodolite
79.Serrer les écrous au couple spécifié (généralement 70 % du couple final)
80.Installer les contreventements temporaires avant de libérer le crochet
Tolérances d'installation des colonnes :
Verticalité : 1/500 de la hauteur de la colonne, maximum 25 mm
Décalage horizontal : ± 5 mm par rapport à l'axe théorique
Élévation de la plaque d'appui : ± 3 mm
Levage des poutres
Les poutres sont levées avec une élingue à deux brins attachée aux extrémités ou aux points de levage marqués. Pour les poutres longues (> 12 m), un bras de levage est obligatoire pour éviter la déformation.
Points de levage : Les poutres ont souvent des trous de levage (lifting holes) prévus en usine. Si aucun trou n'est prévu, l'élingue doit être attachée aux extrémités, jamais au centre de la portée.
Procédure d'érection d'une poutre :
89.Vérifier la contre-flèche (camber) de la poutre
90.Attacher l'élingue aux points de levage
91.Lever la poutre et la guider avec des cordes
92.Positionner la poutre sur les cornières d'appui (seat angles) ou entre les colonnes
93.Installer au moins deux boulons par connexion avant de libérer le crochet
94.Aligner la poutre et serrer les boulons au couple requis
Règle de sécurité : Aucune poutre ne doit être libérée du crochet de la grue avant d'avoir au moins deux boulons installés et serrés dans chaque connexion.
Poutrelles de plancher (open web steel joists)
Les poutrelles sont des éléments légers en treillis, installés entre les poutres principales. Elles sont levées individuellement ou en paquets (bundles) selon leur poids.
Exigences particulières :
Les poutrelles doivent être entreposées à plat, sur des cales
Le levage en paquet nécessite un berceau de levage (lifting cradle) pour éviter la déformation
L'installation se fait généralement à partir d'une poutre déjà en place, à l'aide d'une grue ou d'une nacelle
Les poutrelles doivent être immédiatement fixées par soudure ou boulonnage
Connexions boulonnées
Types de boulons
Les boulons utilisés en charpente d'acier sont classés selon la norme ASTM A325 (boulons à haute résistance) ou ASTM A490 (résistance supérieure). Au Canada, on utilise également la norme CSA G40.20 pour les boulons.
Tableau 3 : Caractéristiques des boulons structuraux
| Type | Diamètre (mm) | Résistance minimale à la traction (MPa) | Utilisation typique |
|---|
| A325 | 16 à 25 | 825 | Connexions de cisaillement |
| A490 | 16 à 25 | 1 040 | Connexions à haute résistance |
| A307 | 12 à 25 | 400 | Boulons ordinaires (non structuraux) |
Marquage des boulons : Les boulons A325 portent la marque "A325" sur la tête, les boulons A490 portent "A490". Les écrous correspondants sont marqués "2H" ou "DH".
Installation des boulons
Préparation des surfaces :
Les surfaces de contact doivent être exemptes de calamine, de rouille, d'huile ou de peinture
Le serrage peut être effectué par :
Clé dynamométrique (torque wrench) : serrage contrôlé par couple
Clé à choc (impact wrench) : serrage par rotation contrôlée (turn-of-nut method)
Boulons à serrage direct (tension control bolts) : serrage par rupture de la tige de torsion
Méthode du couple :
Le couple de serrage est calculé par la formule :
T = K × D × P
Où :
T = couple (N·m)
K = coefficient de frottement (généralement 0,20 pour les boulons lubrifiés, 0,33 pour les boulons secs)
D = diamètre nominal du boulon (m)
P = tension de serrage requise (N)
Exemple : Boulon A325 de 20 mm, tension de serrage de 142 kN, K = 0,20 :
T = 0,20 × 0,020 × 142 000 = 568 N·m
Méthode de rotation contrôlée :
Serrer d'abord à la main (snug tight)
Marquer le boulon et l'écrou avec une ligne de référence
Tourner l'écrou d'un angle spécifié (généralement 1/2 tour pour les boulons A325, 3/4 tour pour les A490)
Inspection des connexions boulonnées
L'inspection doit vérifier :
Le nombre de boulons installés (conforme aux plans)
Le type et la taille des boulons (marquage correct)
Le serrage (couple ou rotation)
La présence de rondelles (washers) sous l'écrou et la tête
L'alignement des pièces (aucun jeu excessif)
Défauts courants :
Boulons trop courts (moins de 2 filets dépassant de l'écrou)
Boulons trop longs (interférence avec d'autres pièces)
Serrage insuffisant (vérifié par la méthode du "tap test" ou par clé dynamométrique de contrôle)
Rondelles manquantes ou inversées
Connexions soudées
Procédés de soudage sur chantier
Les procédés de soudage utilisés pour les connexions de chantier sont :
SMAW (Shielded Metal Arc Welding) : soudage à l'arc avec électrode enrobée
FCAW (Flux Cored Arc Welding) : soudage à l'arc avec fil fourré
GMAW (Gas Metal Arc Welding) : soudage MIG/MAG
Tableau 4 : Comparaison des procédés de soudage
| Procédé | Avantages | Inconvénients | Utilisation |
|---|
| SMAW | Portable, polyvalent | Lent, électrodes à remplacer | Petites connexions, réparations |
| FCAW | Rapide, haute qualité | Équipement plus lourd | Connexions principales |
| GMAW | Rapide, propre | Sensible au vent | Atelier, intérieur |
Types de soudures
Soudure d'angle (fillet weld) : la plus courante, section triangulaire
Soudure en gorge (groove weld) : pénétration complète ou partielle
Soudure en bouchon (plug weld) : à travers un trou dans une pièce
Taille de la soudure d'angle : La taille (leg size) est spécifiée sur les plans en millimètres. La gorge effective (throat) est égale à 0,707 × la taille de la soudure.
Formule de résistance d'une soudure d'angle :
R = 0,707 × w × L × F
Où :
R = résistance (N)
w = taille de la soudure (mm)
L = longueur de la soudure (mm)
F = résistance admissible du métal de soudure (MPa)
Qualification des soudeurs
Les soudeurs doivent être qualifiés selon la norme CSA W47.1 (Qualification des entreprises de soudage) et CSA W47.2 (Qualification des soudeurs). La qualification comprend :
Un test pratique sur une éprouvette
Une inspection visuelle et radiographique de la soudure d'essai
Une certification valide pour une période déterminée (généralement 2 ans)
Important : Un soudeur qualifié pour le procédé SMAW n'est pas automatiquement qualifié pour le FCAW. Chaque procédé et chaque position de soudage nécessitent une qualification distincte.
Stabilité temporaire et contreventement
Contreventement temporaire
Pendant l'érection, la structure n'est pas encore stable. Des contreventements temporaires (temporary bracing) sont nécessaires pour :
Résister aux charges de vent
Maintenir l'alignement des colonnes
Prévenir le flambement des éléments comprimés
Assurer la sécurité des travailleurs
Types de contreventement temporaire :
Câbles d'acier avec tendeurs (turnbuckles) : pour les colonnes
Poutres de contreventement en bois ou en acier : pour les planchers
Étais (shores) : pour les poutres longues
Règle de base : Le contreventement temporaire doit être installé avant de libérer le crochet de la grue et maintenu jusqu'à ce que le contreventement permanent soit en place.
Séquence d'érection
La séquence d'érection doit être planifiée pour minimiser les risques d'instabilité :
185.Ériger les colonnes du premier niveau
186.Installer les contreventements temporaires (câbles ou poutres)
187.Ériger les poutres principales entre les colonnes
188.Ériger les poutres secondaires et les poutrelles
189.Vérifier l'alignement et la verticalité
190.Serrer définitivement les connexions
191.Procéder au niveau suivant
Principe de la "tour" : L'érection se fait généralement par "tranches" verticales (bays) pour créer des zones stables avant de continuer.
Calcul de la stabilité
La stabilité d'une colonne non contreventée peut être vérifiée par la formule d'Euler :
P_critique = (π² × E × I) / (K × L)²
Où :
P_critique = charge critique de flambement (N)
E = module d'élasticité de l'acier (200 000 MPa)
I = moment d'inertie de la section (mm⁴)
K = facteur de longueur effective (1,0 pour une colonne articulée-articulée)
L = longueur de la colonne (mm)
Exemple : Colonne W200×46, I = 45,5 × 10⁶ mm⁴, L = 4 m, K = 1,0 :
P_critique = (π² × 200 000 × 45,5 × 10⁶) / (1,0 × 4 000)² = 5 620 kN
La charge réelle doit être bien inférieure à cette valeur critique, avec un facteur de sécurité d'au moins 2.
Tolérances et contrôle de qualité
Tolérances d'érection selon CSA S16
Tableau 5 : Tolérances d'érection principales
| Paramètre | Tolérance |
|---|
| Verticalité des colonnes | 1/500 de la hauteur, max 25 mm |
| Alignement horizontal des poutres | ± 5 mm |
| Élévation des poutres | ± 10 mm |
| Écartement entre colonnes | ± 5 mm |
| Niveau des plaques d'appui | ± 3 mm |
| Alignement des connexions | ± 2 mm |
Vérifications finales
Avant de déclarer la structure complète, les vérifications suivantes sont effectuées :
Alignement général : mesure au théodolite ou au laser
Serrage des boulons : contrôle par échantillonnage (10 % minimum)
Soudures : inspection visuelle de toutes les soudures, inspection non destructive (radiographie, ultrasons) pour les soudures critiques
Niveaux : vérification des élévations des poutres et des planchers
Contre-flèches : vérification que les poutres ont conservé leur contre-flèche après le serrage
Documentation
Le rapport d'érection doit inclure :
Les résultats des vérifications de tolérance
Les certificats de qualification des soudeurs
Les rapports d'inspection des connexions
Les écarts par rapport aux plans et les approbations de l'ingénieur
Les photographies des zones critiques
Sécurité sur le chantier
Équipement de protection individuelle (EPI)
Casque de sécurité avec jugulaire (obligatoire en tout temps)
Harnais de sécurité avec longe double (obligatoire au-dessus de 3 m)
Chaussures de sécurité à embout d'acier
Gants de manutention et de soudage
Lunettes de protection ou écran facial
Protection auditive dans les zones de bruit élevé
Lignes de vie et points d'ancrage
Les lignes de vie horizontales (horizontal lifelines) doivent être installées sur les poutres avant l'érection. Les points d'ancrage doivent être certifiés pour une charge de 22 kN (5 000 lb) minimum.
Règle des 100 % : Le travailleur doit être attaché en tout temps lorsqu'il travaille à plus de 3 m du sol, y compris lors des déplacements entre les éléments.
Grue et zone de levage
La zone de levage doit être balisée et interdite au personnel non autorisé
Le signaleur (rigger) doit être formé et communiquer avec l'opérateur par radio ou par signaux manuels standardisés
Les charges ne doivent jamais passer au-dessus des travailleurs
Le vent maximal pour les opérations de levage est généralement de 40 km/h (certaines grues ont des limites plus basses)
Pièges à éviter
243.Confondre les boulons A325 et A490 : Les boulons A490 ont une résistance supérieure mais ne doivent pas être utilisés dans des connexions avec des surfaces galvanisées (risque de fissuration par hydrogène).
244.Négliger l'angle des élingues : Un angle de 30° par rapport à la verticale augmente la tension de 100 % par rapport à une élingue verticale. Toujours utiliser la formule T = (P/n) × (1/cos θ).
245.Oublier le contreventement temporaire : La structure peut s'effondrer sous l'effet du vent même avec des charges légères. Le contreventement temporaire est obligatoire dès la première colonne érigée.
246.Serrer les boulons dans le mauvais ordre : Le serrage doit se faire du centre vers les extrémités de la connexion pour éviter les déformations.
247.Ignorer les tolérances de verticalité : Une colonne inclinée de plus de 25 mm peut entraîner des contraintes excessives dans les connexions et des problèmes d'alignement aux niveaux supérieurs.
248.Utiliser des élingues endommagées : Une élingue en câble avec des fils cassés (plus de 6 fils sur une longueur de 30 cm) doit être retirée du service immédiatement.
249.Confondre la contre-flèche avec la déformation : La contre-flèche (camber) est une courbure intentionnelle vers le haut pour compenser la flèche sous charge. Ne pas la confondre avec une déformation accidentelle.
250.Oublier le facteur de sécurité : Les capacités des élingues et des accessoires sont données avec un facteur de sécurité de 5 pour les câbles, 4 pour les chaînes. Ne jamais dépasser la charge de travail sécuritaire (SWL).
251.Ne pas vérifier les certificats de qualification des soudeurs : Un soudeur non qualifié pour le procédé utilisé produit des soudures non conformes qui peuvent être rejetées à l'inspection.
252.Travailler sans harnais : La chute est la première cause de décès sur les chantiers de charpente métallique. Le harnais est obligatoire dès 3 m de hauteur.
Résumé
Le montage de charpentes d'acier est une opération complexe qui exige une planification rigoureuse, une connaissance approfondie des normes et des techniques, et un respect strict des règles de sécurité.
Points clés à retenir pour l'examen :
La norme CSA S16 est la référence pour la conception et l'érection des charpentes d'acier
Les tolérances d'érection sont : verticalité des colonnes 1/500 (max 25 mm), alignement des poutres ± 5 mm
Les boulons A325 et A490 sont les boulons structuraux standard, avec des marquages distincts
La méthode du couple et la méthode de rotation contrôlée sont les deux méthodes de serrage acceptées
Les soudures d'angle ont une gorge effective de 0,707 × la taille de la soudure
Le contreventement temporaire est obligatoire avant de libérer le crochet de la grue
Les élingues doivent être vérifiées avant chaque utilisation et remplacées si endommagées
La sécurité est primordiale : harnais obligatoire au-dessus de 3 m, zone de levage balisée, communication claire avec l'opérateur de grue
La maîtrise de ces concepts, combinée à une bonne compréhension des calculs de base (tension dans les élingues, couple de serrage, charge critique de flambement), vous permettra de réussir la section "Montage de charpentes d'acier" de l'examen Sceau rouge.
Références normatives
CSA S16:19 — Règles de calcul des charpentes en acier
CSA W47.1 — Qualification des entreprises de soudage
CSA W47.2 — Qualification des soudeurs
CSA G40.20 — Exigences générales pour l'acier de construction
ASTM A325 — Spécification pour les boulons structuraux en acier traité thermiquement
ASTM A490 — Spécification pour les boulons structuraux en acier allié à haute résistance
Code de sécurité pour les travaux de construction (partie II du Code canadien du travail)
Guide de montage de l'ICCA (Institut canadien de la construction en acier)
