Les types de charges agissant sur les structures pour les bâtiments et autres structures peuvent être largement classés en charges verticales, charges horizontales et charges longitudinales. Les charges verticales comprennent la charge morte, la charge vive et la charge d’impact.

Les charges horizontales comprennent la charge de vent et la charge sismique. Les charges longitudinales c’est-à-dire les forces de traction et de freinage sont considérées dans le cas particulier de la conception des ponts, des poutres portiques etc….

Types de charges sur les structures et les bâtiments

Dans une construction de bâtiment, deux facteurs majeurs considérés sont la sécurité et l’économie. Si les charges sont jugées et prises plus élevées alors l’économie est affectée. Si l’économie est prise en compte et que les charges sont moins importantes, alors la sécurité est compromise.

Donc l’estimation des différentes charges agissant est à calculer précisément. Le code standard indien IS : 875-1987 et le code standard américain ASCE 7 : Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures spécifie diverses charges de conception pour les bâtiments et les structures.

Les types de charges agissant sur une structure sont :

1. Charges mortes
2. Charges imposées
3. Charges de vent
4. Charges de neige
5. Charges sismiques
6. Charges spéciales

Charges mortes (DL)

La première charge verticale qui est considérée est la charge morte. Les charges mortes sont des charges permanentes ou stationnaires qui sont transférées à la structure tout au long de la durée de vie. La charge morte est principalement due au poids propre des éléments structurels, aux cloisons permanentes, aux équipements permanents fixes et au poids des différents matériaux. Elle est principalement constituée du poids des toits, des poutres, des murs et des colonnes, etc. qui sont par ailleurs les parties permanentes du bâtiment.

Le calcul des charges permanentes de chaque structure est calculé par le volume de chaque section et multiplié par le poids unitaire. Les poids unitaires de certains des matériaux courants sont présentés dans le tableau ci-dessous.

Lire : Poids unitaire / densité de différents matériaux de construction

Charges imposées ou charges vives (IL ou LL)

La deuxième charge verticale qui est considérée dans la conception d’une structure est les charges imposées ou charges vives. Les charges vives sont des charges mobiles ou en mouvement sans aucune accélération ou impact. Ces charges sont supposées être produites par l’utilisation ou l’occupation prévue du bâtiment, y compris les poids des cloisons mobiles ou des meubles, etc…

Les charges vives ne cessent de changer de temps en temps. Ces charges doivent être convenablement assumées par le concepteur. C’est l’une des charges majeures dans la conception. Les valeurs minimales des charges dynamiques à assumer sont données dans la norme IS 875 (partie 2)-1987. Cela dépend de l’utilisation prévue du bâtiment.

Le code donne les valeurs des charges vives pour la classification d’occupation suivante :

• Bâtiments résidentiels – maisons d’habitation, hôtels, auberges, chaufferies et salles d’usine, garages
• Bâtiments d’enseignement
• Bâtiments institutionnels
• Bâtiments d’assemblage
• Bâtiments commerciaux et de bureaux
• Bâtiments commerciaux
• Bâtiments industriels et
• Salles d’entreposage.

Le code donne des charges uniformément réparties ainsi que des charges concentrées. Les dalles de plancher doivent être conçues pour supporter soit des charges uniformément réparties, soit des charges concentrées, selon celles qui produisent les plus grandes contraintes dans la partie considérée. Comme il est peu probable qu’à un moment donné, tous les planchers ne supportent pas simultanément la charge maximale, le code permet une certaine réduction des charges imposées lors de la conception des colonnes, des murs porteurs, des supports de piliers et des fondations.

Certaines des valeurs importantes sont présentées dans le tableau ci-dessous qui sont les valeurs minimales et lorsque cela est nécessaire, plus que ces valeurs doivent être supposées.

Cependant, dans un bâtiment à plusieurs étages, les chances que les charges imposées complètes agissent simultanément sur tous les étages sont très rares. Par conséquent, le code prévoit la réduction des charges dans la conception des colonnes, des murs porteurs, de leurs supports et des fondations, comme le montre le tableau ci-dessous.

.

Nombre d’étages (y compris le toit) à supporter par l’élément considéré	Réduction des charges imposées totales distribuées en %
1	0
2	10
3	20
4	30
5-10	40
Plus de 10	50

La charge due au vent

La charge due au vent est principalement une charge horizontale causée par le mouvement de l’air par rapport à la terre. La charge du vent doit être prise en compte dans la conception structurelle, surtout lorsque la hauteur du bâtiment dépasse deux fois les dimensions transversales à la surface exposée au vent.

Pour les bâtiments de faible hauteur, disons jusqu’à quatre à cinq étages, la charge du vent n’est pas critique car le moment de résistance fourni par la continuité du système de plancher à la connexion des colonnes et les murs prévus entre les colonnes sont suffisants pour accueillir l’effet de ces forces. En outre, dans la méthode de l’état limite, le facteur pour la charge de conception est réduit à 1,2 (DL+LL+WL) lorsque le vent est pris en compte contre le facteur de 1,5(DL+LL) lorsque le vent n’est pas pris en compte.

Les forces horizontales exercées par les composantes des vents est à garder à l’esprit lors de la conception est le bâtiment. Le calcul des charges de vent dépend de deux facteurs, à savoir la vitesse du vent et la taille du bâtiment. Les détails complets du calcul de la charge du vent sur les structures sont donnés ci-dessous (par la norme IS-875 (partie 3) -1987).

À l’aide d’un code couleur, la pression de base du vent ‘Vb’ est indiquée sur une carte de l’Inde. Le concepteur peut choisir la valeur de Vb en fonction de la localité du bâtiment.

Pour obtenir la vitesse du vent de conception Vz, l’expression suivante doit être utilisée :

Vz = k1.k2.k3.Vb

Où k1 = coefficient de risque

k2 = coefficient basé sur le terrain, la hauteur et la taille de la structure.

k3 = facteur topographique

La pression du vent de conception est donnée par

pz = 0,6 V2z

où pz est en N/m2 à la hauteur Z et Vz est en m/sec. Jusqu’à une hauteur de 30 m, on considère que la pression du vent agit de manière uniforme. Au-dessus de 30 m de hauteur, la pression du vent augmente.

Les charges de neige (SL)

Les charges de neige constituent aux charges verticales dans le bâtiment. Mais ces types de charges ne sont considérés que dans les lieux de chute de neige. La norme IS 875 (partie 4) – 1987 traite des charges de neige sur les toits du bâtiment.

La charge de neige minimale sur une surface de toit ou toute autre surface au-dessus du sol qui est soumise à une accumulation de neige est obtenue par l’expression

Où S = Charge de neige de conception sur la surface plane du toit.

= Coefficient de forme, et

S0 = Charge de neige au sol.

Charges sismiques (EL)

Les forces sismiques constituent à la fois des forces verticales et horizontales sur le bâtiment. La vibration totale causée par le tremblement de terre peut être résolue en trois directions mutuellement perpendiculaires, généralement prises comme direction verticale et deux directions horizontales.

Le mouvement dans la direction verticale ne provoque pas de forces dans la superstructure dans une mesure significative. Mais le mouvement horizontal du bâtiment au moment du tremblement de terre doit être pris en compte lors de la conception.

La réponse de la structure aux vibrations du sol est fonction de la nature du sol de fondation, de la taille et du mode de construction et de la durée et de l’intensité du mouvement du sol. La norme IS 1893- 2014 donne les détails de ces calculs pour les structures reposant sur des sols qui ne s’affaisseront pas considérablement ou ne glisseront pas sensiblement en raison d’un séisme.

Les accélérations sismiques pour la conception peuvent être obtenues à partir du coefficient sismique, qui est défini comme le rapport entre l’accélération due au séisme et l’accélération due à la gravité. Pour les structures monolithiques en béton armé situées dans la zone sismique 2, et 3 sans plus de 5 étages et un facteur d’importance inférieur à 1, les forces sismiques ne sont pas critiques.

Autres charges et effets agissant sur les structures

Selon la clause 19.6 de la norme IS 456 – 2000, en plus de la charge ci-dessus discutée, il faut tenir compte des forces et effets suivants s’ils sont susceptibles d’affecter matériellement la sécurité et l’aptitude au service de la structure :

(a) Mouvement de la fondation (voir IS 1904)

(b) Raccourcissement axial élastique

(c) Pression du sol et des fluides (voir IS 875, Partie 5)

(d) Vibration

(e) Fatigue

(f) Impact (Voir IS 875, Partie 5)

(g) Charges d’érection (Voir IS 875, Partie 2) et

(h) Effet de concentration des contraintes dû à une charge ponctuelle et autres.