Conçu par Todd Brady et Stephen H. Miller, le cadre CDTC formé à froid (CFSF) (également connu sous le nom de « calibre léger ») était à l'origine une alternative au bois, mais après des décennies de travail agressif, il a finalement joué son rôle. Tout comme le bois fini par un charpentier, les poteaux et les rails en acier peuvent être coupés et combinés pour créer des formes plus complexes. Cependant, jusqu'à récemment, il n'y avait pas de véritable standardisation des composants ou des composés. Chaque trou brut ou autre élément structurel spécial doit être détaillé individuellement par un ingénieur agréé (EOR). Les entrepreneurs ne suivent pas toujours ces détails spécifiques au projet et peuvent « faire les choses différemment » pendant longtemps. Malgré cela, il existe des différences significatives dans la qualité de l’assemblage sur le terrain.
En fin de compte, la familiarité engendre l’insatisfaction, et l’insatisfaction inspire l’innovation. Les nouveaux éléments de charpente (au-delà des montants en C et des rails en U standard) sont non seulement disponibles à l'aide de techniques de mise en forme avancées, mais peuvent également être pré-conçus/pré-approuvés pour des besoins spécifiques afin d'améliorer l'étape CFSF en termes de conception et de construction. .
Des composants standardisés et spécialement conçus, conformes aux spécifications, peuvent effectuer de nombreuses tâches de manière cohérente, offrant ainsi des performances meilleures et plus fiables. Ils simplifient les détails et offrent une solution plus facile à installer correctement pour les entrepreneurs. Ils accélèrent également la construction et facilitent les inspections, économisant ainsi du temps et des tracas. Ces composants standardisés améliorent également la sécurité sur le lieu de travail en réduisant les coûts de découpe, d'assemblage, de vissage et de soudage.
La pratique courante sans les normes CFSF est devenue une partie tellement acceptée du paysage qu'il est difficile d'imaginer la construction commerciale ou résidentielle de grande hauteur sans elle. Cette acceptation généralisée a été obtenue dans un laps de temps relativement court et n’a été largement utilisée qu’à la fin de la Seconde Guerre mondiale.
La première norme de conception CFSF a été publiée en 1946 par l'American Iron and Steel Institute (AISI). La dernière version, AISI S 200-07 (Norme nord-américaine pour les charpentes en acier formé à froid – Général), est désormais la norme au Canada, aux États-Unis et au Mexique.
La standardisation de base a fait une grande différence et les CFSF sont devenus une méthode de construction populaire, qu'ils soient porteurs ou non porteurs. Ses avantages incluent :
Aussi innovante que soit la norme AISI, elle ne codifie pas tout. Les concepteurs et les entrepreneurs ont encore beaucoup de choses à décider.
Le système CFSF est basé sur des goujons et des rails. Les poteaux en acier, comme les poteaux en bois, sont des éléments verticaux. Ils forment généralement une section transversale en forme de C, le « haut » et le « bas » du C formant la dimension étroite du goujon (sa bride). Les guides sont des éléments de cadre horizontaux (seuils et linteaux), ayant une forme en U pour accueillir les crémaillères. Les tailles de rack sont généralement similaires au bois nominal « 2× » : 41 x 89 mm (1 5/8 x 3 ½ pouces) correspond à « 2 x 4 » et 41 x 140 mm (1 5/8 x 5). ½ pouce) équivaut à « 2 × 6 ». Dans ces exemples, la dimension de 41 mm est appelée « étagère » et la dimension de 89 mm ou 140 mm est appelée « toile », empruntant des concepts familiers à l'acier laminé à chaud et aux éléments similaires de type poutre en I. La dimension de la piste correspond à la largeur hors tout du plot.
Jusqu'à récemment, les éléments les plus solides requis par le projet devaient être détaillés par EOR et assemblés sur place à l'aide d'une combinaison de goujons et de rails combinés, ainsi que d'éléments en forme de C et de U. La configuration exacte est généralement fournie à l'entrepreneur et même au sein d'un même projet, elle peut varier considérablement. Cependant, les décennies d'expérience du CFSF ont conduit à la reconnaissance des limites de ces formes de base et des problèmes qui leur sont associés.
Par exemple, l’eau peut s’accumuler dans la traverse inférieure d’un mur à colombages lorsque le colombage est ouvert pendant la construction. La présence de sciure de bois, de papier ou d'autres matières organiques peut provoquer de la moisissure ou d'autres problèmes liés à l'humidité, notamment la détérioration des cloisons sèches ou l'attraction de parasites derrière les clôtures. Un problème similaire peut survenir si de l’eau s’infiltre dans les murs finis et s’accumule à cause de la condensation, des fuites ou des déversements.
Une solution consiste à créer une passerelle spéciale avec des trous percés pour le drainage. Des conceptions de goujons améliorées sont également en cours de développement. Ils présentent des caractéristiques innovantes telles que des nervures stratégiquement placées qui fléchissent en section transversale pour plus de rigidité. La surface texturée du goujon empêche la vis de « bouger », ce qui entraîne une connexion plus propre et une finition plus uniforme. Ces petites améliorations, multipliées par des dizaines de milliers de pics, peuvent avoir un impact énorme sur un projet.
Aller au-delà des montants et des rails Les montants et les rails traditionnels suffisent souvent pour des murs simples sans trous bruts. Les charges peuvent inclure le poids du mur lui-même, les finitions et les équipements qui s'y trouvent, le poids du vent et, pour certains murs, également les charges permanentes et temporaires provenant du toit ou du plancher supérieur. Ces charges sont transmises du rail supérieur aux colonnes, au rail inférieur et de là aux fondations ou à d'autres parties de la superstructure (par exemple, tablier en béton ou colonnes et poutres en acier de construction).
S'il y a une ouverture brute (RO) dans le mur (comme une porte, une fenêtre ou un grand conduit CVC), la charge au-dessus de l'ouverture doit être transférée autour de celle-ci. Le linteau doit être suffisamment solide pour supporter la charge d'un ou plusieurs montants (et de la cloison sèche attachée) au-dessus du linteau et la transférer aux montants du montant (éléments verticaux RO).
De même, les poteaux des montants de porte doivent être conçus pour supporter une charge plus importante que les poteaux ordinaires. Par exemple, dans les espaces intérieurs, l'ouverture doit être suffisamment solide pour supporter le poids de la cloison sèche au-dessus de l'ouverture (c.-à-d. 29 kg/m2 [6 lb par pied carré] [une couche de 16 mm (5/8 po) par heure de mur.) par côté de plâtre] ou 54 kg/m2 [11 livres par pied carré] pour un mur structurel de deux heures [deux couches de plâtre de 16 mm par côté]), plus la charge sismique et généralement le poids du porte et son fonctionnement inertiel. Dans les emplacements extérieurs, les ouvertures doivent pouvoir résister au vent, aux tremblements de terre et à des charges similaires.
Dans la conception CFSF traditionnelle, les linteaux et les poteaux de seuil sont fabriqués sur place en combinant des lattes et des rails standard en une unité plus solide. Un collecteur d'osmose inverse typique, connu sous le nom de collecteur à cassette, est fabriqué en vissant et/ou en soudant cinq pièces ensemble. Deux poteaux sont flanqués de deux rails et un troisième rail est fixé en haut avec le trou vers le haut pour placer le poteau au-dessus du trou (Figure 1). Un autre type de joint en caisson se compose de seulement quatre parties : deux goujons et deux guides. L'autre se compose de trois parties – deux pistes et une épingle à cheveux. Les méthodes de production exactes de ces composants ne sont pas standardisées, mais varient selon les entrepreneurs et même les travailleurs.
Même si la production combinatoire peut poser de nombreux problèmes, elle a fait ses preuves dans l'industrie. Le coût de la phase d'ingénierie était élevé car il n'y avait pas de normes, les ouvertures brutes devaient donc être conçues et finalisées individuellement. La découpe et l'assemblage de ces composants à forte intensité de main-d'œuvre sur site augmentent également les coûts, gaspillent des matériaux, augmentent les déchets sur le site et augmentent les risques pour la sécurité du site. De plus, cela crée des problèmes de qualité et de cohérence dont les concepteurs professionnels devraient particulièrement se préoccuper. Cela tend à réduire la cohérence, la qualité et la fiabilité du cadre et peut également affecter la qualité de la finition des cloisons sèches. (Voir « Mauvaise connexion » pour des exemples de ces problèmes.)
Systèmes de connexion La fixation de connexions modulaires aux racks peut également poser des problèmes esthétiques. Le chevauchement métal sur métal causé par les languettes du collecteur modulaire peut affecter la finition du mur. Aucune cloison sèche intérieure ou revêtement extérieur ne doit reposer à plat sur la tôle de laquelle dépassent les têtes de vis. Les surfaces murales surélevées peuvent provoquer des finitions inégales visibles et nécessiter des travaux correctifs supplémentaires pour les masquer.
Une solution au problème de connexion consiste à utiliser des pinces prêtes à l'emploi, à les fixer aux poteaux du montant et à coordonner les joints. Cette approche standardise les connexions et élimine les incohérences causées par la fabrication sur site. La pince élimine le chevauchement métallique et les têtes de vis saillantes sur le mur, améliorant ainsi la finition du mur. Cela peut également réduire de moitié les coûts de main-d’œuvre d’installation. Auparavant, un travailleur devait maintenir le linteau à niveau tandis qu'un autre le vissait en place. Dans un système de clips, un travailleur installe les clips puis enclenche les connecteurs sur les clips. Cette pince est généralement fabriquée dans le cadre d'un système de fixation préfabriqué.
La raison pour laquelle on fabrique des collecteurs à partir de plusieurs pièces de métal plié est de fournir quelque chose de plus solide qu'une seule pièce de rail pour soutenir le mur au-dessus de l'ouverture. Étant donné que la flexion rigidifie le métal pour éviter toute déformation, formant ainsi des microfaisceaux dans le plan le plus grand de l'élément, le même résultat peut être obtenu en utilisant une seule pièce de métal comportant de nombreuses courbures.
Ce principe est facile à comprendre en tenant une feuille de papier dans les mains légèrement tendues. Tout d'abord, le papier se plie au milieu et glisse. Cependant, s’il est plié une fois sur toute sa longueur puis déroulé (de sorte que le papier forme un canal en forme de V), il risque moins de se plier et de tomber. Plus vous faites de plis, plus il sera rigide (dans certaines limites).
La technique de pliage multiple exploite cet effet en ajoutant des rainures, des canaux et des boucles empilés à la forme globale. Le « calcul de la résistance directe » – une nouvelle méthode d'analyse pratique assistée par ordinateur – a remplacé le traditionnel « calcul de la largeur effective » et a permis de convertir des formes simples en configurations appropriées et plus efficaces pour obtenir de meilleurs résultats avec l'acier. Cette tendance est visible dans de nombreux systèmes CFSF. Ces formes, en particulier lors de l'utilisation d'un acier plus résistant (390 MPa (57 psi) au lieu de la norme industrielle précédente de 250 MPa (36 psi)), peuvent améliorer les performances globales de l'élément sans aucun compromis sur la taille, le poids ou l'épaisseur. devenir. il y a eu des changements.
Dans le cas de l’acier formé à froid, un autre facteur entre en jeu. Le travail à froid de l’acier, tel que le pliage, modifie les propriétés de l’acier lui-même. La limite d'élasticité et la résistance à la traction de la partie traitée de l'acier augmentent, mais la ductilité diminue. Les pièces qui fonctionnent le plus en profitent le plus. Les progrès dans le domaine du profilage ont abouti à des courbures plus serrées, ce qui signifie que l'acier le plus proche du bord incurvé nécessite plus de travail que l'ancien processus de profilage. Plus les courbures sont grandes et serrées, plus l'acier de l'élément sera renforcé par écrouissage, augmentant ainsi la résistance globale de l'élément.
Les rails réguliers en forme de U ont deux virages, les goujons en C ont quatre virages. Le collecteur W modifié pré-conçu comporte 14 coudes disposés pour maximiser la quantité de métal résistant activement aux contraintes. La pièce unique dans cette configuration peut être l'ensemble du cadre de porte dans l'ouverture brute du cadre de porte.
Pour les ouvertures très larges (c'est-à-dire plus de 2 m [7 pi]) ou les charges élevées, le polygone peut être renforcé davantage avec des inserts en forme de W appropriés. Il ajoute plus de métal et 14 courbures, ce qui porte le nombre total de courbures dans la forme globale à 28. L'insert est placé à l'intérieur du polygone avec des W inversés de sorte que les deux W forment ensemble une forme approximative en X. Les jambes du W font office de barres transversales. Ils ont installé les goujons manquants sur le RO, qui ont été maintenus en place avec des vis. Ceci s'applique qu'un insert de renfort soit installé ou non.
Les principaux avantages de ce système tête/clip préformé sont la rapidité, la cohérence et une finition améliorée. En choisissant un système de linteau préfabriqué certifié, tel que celui approuvé par l'International Code of Practice Committee Evaluation Service (ICC-ES), les concepteurs peuvent spécifier les composants en fonction des exigences de protection incendie du type de charge et de mur, et éviter d'avoir à concevoir et détailler chaque travail. , économisant du temps et des ressources. (ICC-ES, International Codes Committee Évaluation Service, accrédité par le Conseil canadien des normes [CCN]). Cette préfabrication garantit également que les ouvertures aveugles sont construites comme prévu, avec une solidité et une qualité structurelles constantes, sans écarts dus à la découpe et à l'assemblage sur site.
La cohérence de l'installation est également améliorée car les pinces sont dotées de trous filetés pré-percés, ce qui facilite le numérotage et le placement des joints avec les goujons de montant. Élimine les chevauchements métalliques sur les murs, améliore la planéité de la surface des cloisons sèches et prévient les irrégularités.
De plus, de tels systèmes présentent des avantages environnementaux. Par rapport aux composants composites, la consommation d'acier des collecteurs monoblocs peut être réduite jusqu'à 40 %. Comme cela ne nécessite pas de soudage, les émissions de gaz toxiques associées sont éliminées.
Goujons à larges brides Les goujons traditionnels sont fabriqués en assemblant (vissage et/ou soudage) deux ou plusieurs goujons. Bien qu’ils soient puissants, ils peuvent aussi créer leurs propres problèmes. Ils sont beaucoup plus faciles à assembler avant l’installation, notamment lorsqu’il s’agit de souder. Cependant, cela bloque l'accès à la section de montant fixée à la porte à cadre métallique creux (HMF).
Une solution consiste à percer un trou dans l'un des montants pour le fixer au cadre depuis l'intérieur de l'assemblage des montants. Cependant, cela peut rendre l’inspection difficile et nécessiter des travaux supplémentaires. Il est connu que les inspecteurs insistent pour fixer le HMF à la moitié du montant du montant de porte et l'inspecter, puis souder la seconde moitié de l'ensemble à double montant en place. Cela arrête tous les travaux autour de la porte, peut retarder d'autres travaux et nécessite une protection incendie accrue grâce au soudage sur site.
Des montants préfabriqués à large épaulement (spécialement conçus comme montants de montant) peuvent être utilisés à la place des montants empilables, ce qui permet d'économiser beaucoup de temps et de matériel. Les problèmes d'accès associés à la porte HMF sont également résolus car le côté C ouvert permet un accès ininterrompu et une inspection facile. La forme ouverte en C fournit également une isolation complète, là où les linteaux et les montants combinés créent généralement un espace de 102 à 152 mm (4 à 6 pouces) d'isolation autour de la porte.
Connexions en haut du mur Un autre domaine de conception qui a bénéficié de l'innovation est la connexion en haut du mur avec le pont supérieur. La distance d'un étage à l'autre peut varier légèrement au fil du temps en raison de la variation de la déflexion du tablier sous différentes conditions de charge. Pour les murs non porteurs, il doit y avoir un espace entre le haut des montants et le panneau, cela permet au tablier de descendre sans écraser les montants. La plateforme doit également pouvoir monter sans casser les plots. Le jeu est d'au moins 12,5 mm (½ po), soit la moitié de la tolérance de déplacement totale de ±12,5 mm.
Deux solutions traditionnelles dominent. La première consiste à fixer un long rail (50 ou 60 mm (2 ou 2,5 po)) au pont, avec les pointes des goujons simplement insérées dans le rail, non sécurisées. Pour empêcher les montants de se tordre et de perdre leur valeur structurelle, un morceau de profilé laminé à froid est inséré dans un trou du montant à une distance de 150 mm (6 pouces) du haut du mur. processus consommateur Le processus n'est pas populaire auprès des entrepreneurs. Dans un effort de raccourcir les délais, certains entrepreneurs peuvent même renoncer aux profilés laminés à froid en plaçant des goujons sur les rails sans aucun moyen de les maintenir en place ou de les niveler. Cela viole la pratique standard ASTM C 754 pour l'installation d'éléments de charpente en acier pour produire des produits de cloison sèche filetés, qui stipule que les montants doivent être fixés aux rails avec des vis. Si cet écart par rapport à la conception n'est pas détecté, cela affectera la qualité du mur fini.
Une autre solution largement utilisée est la conception à double voie. Le rail standard est placé au-dessus des poteaux et chaque poteau y est boulonné. Une deuxième piste, plus large et sur mesure, est placée au-dessus de la première et reliée au pont supérieur. Les pistes standard peuvent glisser de haut en bas à l’intérieur des pistes personnalisées.
Plusieurs solutions ont été développées pour cette tâche, qui incluent toutes des composants spécialisés fournissant des connexions à fentes. Les variantes incluent le type de rail fendu ou le type de clip fendu utilisé pour fixer le rail au pont. Par exemple, fixez un rail à fentes sous la terrasse en utilisant une méthode de fixation appropriée au matériau particulier de la terrasse. Les vis à fente sont fixées au sommet des goujons (conformément à la norme ASTM C 754), permettant à la connexion de monter et descendre sur environ 25 mm (1 pouce).
Dans un pare-feu, ces connexions flottantes doivent être protégées du feu. Sous un tablier en acier rainuré rempli de béton, le matériau ignifuge doit être capable de combler l'espace irrégulier situé sous la rainure et de conserver sa fonction anti-incendie à mesure que la distance entre le haut du mur et le tablier change. Les composants utilisés pour ce joint ont été testés conformément à la nouvelle norme ASTM E 2837-11 (Standard Test Method for Determining the Fire Resistance of Solid Wall Head Joint Systems Installed Between Rated Wall Components and Non-Rated Horizontal Components). La norme est basée sur la norme Underwriters Laboratories (UL) 2079, « Fire Testing for Building Connecting Systems ».
L’avantage d’utiliser une connexion dédiée en haut du mur est qu’elle peut inclure des assemblages standardisés, approuvés par le code et résistant au feu. Une construction typique consiste à placer le réfractaire sur le pont et à le suspendre à quelques centimètres au-dessus du haut des murs de chaque côté. Tout comme un mur peut glisser librement de haut en bas dans une fixation à mortaise, il peut également glisser de haut en bas dans un joint coupe-feu. Les matériaux pour ce composant peuvent inclure de la laine minérale, des aciers de construction réfractaires cimentés ou des cloisons sèches, utilisés seuls ou en combinaison. De tels systèmes doivent être testés, approuvés et répertoriés dans des catalogues tels que ceux des Laboratoires des assureurs du Canada (ULC).
Conclusion La normalisation est le fondement de toute architecture moderne. Ironiquement, il y a peu de standardisation des « pratiques standard » en matière de charpente en acier formé à froid, et les innovations qui brisent ces traditions sont également des créateurs de normes.
L'utilisation de ces systèmes standardisés peut protéger les concepteurs et les propriétaires, économiser beaucoup de temps et d'argent et améliorer la sécurité du site. Ils apportent de la cohérence à la construction et sont plus susceptibles de fonctionner comme prévu que les systèmes bâtis. En combinant légèreté, durabilité et prix abordable, CFSF est susceptible d'augmenter sa part du marché de la construction, stimulant sans aucun doute davantage d'innovation.
Todd Brady is President of Brady Construction Innovations and inventor of the ProX manifold roughing system and the Slp-Trk wall cap solution. He is a metal beam specialist with 30 years of experience in the field and contract work. Brady can be contacted by email: bradyinnovations@gmail.com.
Stephen H. Miller, CDT est un écrivain et photographe primé spécialisé dans le secteur de la construction. Il est le directeur créatif de Chusid Associates, une société de conseil fournissant des services marketing et techniques aux fabricants de produits de construction. Miller peut être contacté sur www.chusid.com.
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Heure de publication : 07 juillet 2023