Mémoire de PFE Modélisation et dimensionnement de structures du complexe
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Niveau: Supérieur
Mémoire de PFE Modélisation et dimensionnement de structures du complexe hôtelier Loisium Alsace à Voegtlinshoffen Auteur : ZACCOMER Cyrille INSA Strasbourg, Spécialité Génie-Civil, 5ème année Tuteur Entreprise : ROEDER Julien Ingénieur Structure, OTE Ingénierie Tuteur INSA Strasbourg : KOVAL Georg Professeur des universités 25 janvier 2010 – 12 juin 2010
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Mémoire de PFE Modélisation et dimensionnement de structures du complexe hôtelier Loisium Alsace à Voegtlinshoffen Auteur : ZACCOMER Cyrille INSA Strasbourg, Spécialité Génie-Civil, 5ème année Tuteur Entreprise : ROEDER Julien Ingénieur Structure, OTE Ingénierie Tuteur INSA Strasbourg : KOVAL Georg Professeur des universités 25 janvier 2010 – 12 juin 2010
- structure complexe
- vérification sans armatures longitudinales
- loisium resort
- calcul des raideurs des appuis
- loisium
- modélisation sur appuis élastiques
- choix des systèmes de fondations
- construction du complexe hôtelier
Mémoire de PFE
Modélisation et dimensionnement de structures du complexe hôtelier Loisium Alsace à Voegtlinshoffen
Auteur : ZACCOMER Cyrille INSA Strasbourg, Spécialité Génie-Civil, 5èmeannée Tuteur Entreprise : ROEDER Julien Ingénieur Structure, OTE Ingénierie Tuteur INSA Strasbourg : KOVAL Georg Professeur des universités 25 janvier 2010 – 12 juin 2010
RSEMUE Ce projet a pour objet la construction du complexe hôtelier Loisium à Voegtlinshoffen. Mon projet de fin d’études a porté sur la modélisation et le dimensionnement de structures de ce bâtiment. L’étude a été orientée autour de quatre grands axes. Tout d’abord, les cinq bâtiments en béton du complexe ont été modélisés sur un logiciel de calcul aux éléments finis. Les modèles ont ensuite servi de support pour le reste de l’étude. La seconde partie de mon projet de fin d’études a porté sur l’étude statique et sismique des fondations, en vue de choisir et de dimensionner les systèmes de fondations. Cette étude m’a aussi permis d’aborder la problématique des appuis élastiques. La troisième partie traite du dimensionnement, du calcul des armatures et des vérifications d’une dalle épaisse de transfert de charges. Enfin, la dernière partie porte sur les conséquences du retrait et des variations thermiques sur une dalle de grande longueur sans joint de dilatation.
ARTSBTCA This aim of this project is the construction of Loisium resort in Voegtlinshoffen. My graduation project is essentially based on modelling and design of part of the building structure. The study was oriented around four main axes. First, I worked on modelling the five concrete buildings of the Loisium resort with a finite element analysis software. Models were then used as support for the remainder of the study. The second part this project which was focused on the static and seismic study of the foundations leads to the choice of foundation systems and their design. This study also allowed me to look into the problem of elastic supports. The third part deals with the study of a thick slab of charge transfer. The design of reinforcement as well as punching checks and deflection calculation were made. The final section deals with the consequences of shrinkage and thermal gradient on a great length slab without expansion joints.
Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille
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RREMENMEESITC Je tiens à remercier M. Georg KOVAL, mon tuteur de projet de fin d’études à l’INSA, qui m’a suivi tout au long de cette période et m’a conseillé sur l’orientation que celui-ci devait prendre. Par ailleurs, je remercie, M. Marc STOLL, chef du département génie civil de OTE Ingénierie et responsable de mon projet, ainsi que Mme Anne HOFFER, directrice des ressources humaines qui m’ont permis d’effectuer mon stage au sein de ce bureau d’études. Je remercie fortement M. Julien ROEDER, mon tuteur au sein de OTE Ingénierie, qui m’a suivi et guidé durant ces vingt semaines. De plus, je voudrais remercier M. Sébastien ANTOINET de ses conseils et d’avoir su me transmettre la passion de ce métier. Enfin, je tiens à remercier tous les ingénieurs, projeteurs et collaborateurs pour leur accueil, leur aide et le temps qu’ils ont partagé avec moi.
Rapport intermédiaire de PFE
ZACCOMER Cyrille
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TABLES DES MATIERES RESUME....................................................................................................................................... 2 ABSTRACT.................. 2................................................................................................................. .. REMERCIEMENTS...................................................................... ...................................................3.. . TABLES DES MATIERES.................................... ..................................................................................4 TABLES DES ILLUSTRATIONS........................................................................6. ...................... ................ TABLE DES TABLEAUX.... ........................................................................... 7........................................ INTRODUCTION.............................................................................................................................. 8 1 PRESENTATION DE L’ENTREPRISE........ ................................................................................9 ......... 1.1 Généralités ......................................................................................................................... 9 1.2 Activités .............................................................................................................................. 9 2 DESCRIPTION DU PROJET................................................................. ........................................1 0 2.1 Description architecturale................................................................................................ 10 2.2 Structure. .......................................................................................................................... 12 2.3 Les acteurs........................................................................................................................ 13 2.3.1 Maitrise d’ouvrage ................................................................................................... 13 2.3.2 Maitrise d’œuvre...................................................................................................... 13 2.4 Chiffres clés ...................................................................................................................... 14 2.4.1 Montant de l’opération............................................................................................ 14 2.4.2 Surfaces .................................................................................................................... 14 2.5 Planning de l’opération .................................................................................................... 14 3 MODELISATION.................................................................................................................... 15 3.1 Présentation du logiciel.................................................................................................... 15 3.2 Hypothèses de modélisation............................................................................................ 15 3.3 Charges et surcharges ...................................................................................................... 16 3.4 Hypothèses aux appuis..................................................................................................... 16 3.4.1 Influence des hypothèses aux appuis ...................................................................... 16 3.4.2 Calcul de la raideur des appuis – Influence d’une variation de raideur................... 19 4 ETUDE STATIQUE DES FONDATIONS............................................................................................ 21 4.1 Contexte géotechnique .................................................................................................... 21 4.2 Contraintes du projet ....................................................................................................... 22 4.3 Choix du mode de fondations .......................................................................................... 22 4.3.1 Consultation des entreprises ................................................................................... 22 4.3.2 Choix des systèmes de fondations ........................................................................... 23 4.4 Définition des niveaux des plates-formes de travail ........................................................ 24 4.5 Modélisation sur appuis élastiques.................................................................................. 25 4.5.1 Intérêt des appuis élastiques en statique – Objectifs de l’étude............................. 25 4.5.2 Calcul des raideurs des appuis ................................................................................. 25 4.5.3 Mode opératoire – Influence de la première itération ............................................ 27 4.5.4 Conclusions et limites de la méthode ...................................................................... 29 Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 4
4.6 Fondations superficielles.................................................................................................. 31 4.6.1 Contrainte de rupture du sol.................................................................................... 31 4.6.2 Dimensionnement.................................................................................................... 33 4.6.3 Tassements............................................................................................................... 33 4.6.4 Contrainte du béton ................................................................................................. 34 4.6.5 Ferraillage................................................................................................................. 34 4.7 Fondations semi-profondes ............................................................................................. 35 4.7.1 Hypothèses de calcul................................................................................................ 36 4.7.2 Dimensionnement.................................................................................................... 36 4.7.3 Contrainte du béton ................................................................................................. 36 4.7.4 Ferraillage................................................................................................................. 36 4.8 Fondations profondes ...................................................................................................... 36 4.8.1 Capacité portante d’un pieu isolé ............................................................................ 37 4.8.2 Effet de groupe......................................................................................................... 38 4.8.3 Frottement négatif ................................................................................................... 39 4.8.4 Contrainte du béton ................................................................................................. 40 4.8.5 Ferraillage................................................................................................................. 40 5 ETUDE SISMIQUE................................................................................................. 42................ .. 5.1 Définition de séisme de calcul.......................................................................................... 42 5.1.1 Paramètres de l’action sismique .............................................................................. 42 5.1.2 Valeur du module d’élasticité .................................................................................. 43 5.1.3 Coefficient de comportement .................................................................................. 44 5.1.4 Combinaisons de Newmark...................................................................................... 45 5.1.5 Combinaisons d’actions............................................................................................ 45 5.1.6 Masses à prendre en compte dans les calculs ......................................................... 46 5.1.7 Sélection des modes................................................................................................. 46 5.2 Orientation des modèles.................................................................................................. 46 5.3 Vérification sismique des fondations ............................................................................... 48 5.3.1 Modélisation sur appuis élastiques.......................................................................... 48 5.3.2 Fondations superficielles et semi-profondes ........................................................... 49 5.3.3 Fondations profondes .............................................................................................. 53 6 DALLE DE TRANSFERT............................................................................................................. 58 6.1 Problématique – Description du cas d’étude................................................................... 58 6.2 Modélisation .................................................................................................................... 59 6.3 Caractéristiques des matériaux........................................................................................ 60 6.3.1 Béton ........................................................................................................................ 60 6.3.2 Acier ......................................................................................................................... 60 6.4 Armatures longitudinales – Prise en compte des moments de torsion........................... 61 6.5 Armatures transversales – Poinçonnement..................................................................... 63 6.5.1 Vérification sans armatures longitudinales.............................................................. 63 6.5.2 Vérification avec armatures longitudinales ............................................................. 63 6.5.3 Détermination des armatures transversales............................................................ 64 6.6 Vérification statique du poteau central ........................................................................... 65 6.7 Vérification des flèches .................................................................................................... 65 Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 5
7 DALLE DE GRANDE LONGUEUR SANS JOINT DE DILATATION........................ .....................................76 . 7.1 Problématique.................................................................................................................. 67 7.2 Calcul des effets du retrait et des variations thermiques ................................................ 68 7.2.1 Effets du retrait ........................................................................................................ 68 7.2.2 Effets des variations thermiques.............................................................................. 68 7.2.3 Pourcentage des effets à prendre en compte.......................................................... 69 7.2.4 Combinaisons d’actions............................................................................................ 69 7.3 Etude des effets du retrait et des variations thermiques ................................................ 69 7.3.1 Introduction. ............................................................................................................. 69 7.3.2 Influence sur le ferraillage dans le sens de la portée............................................... 70 7.3.3 Influence sur le ferraillage dans le sens perpendiculaire à la portée ...................... 72 7.3.4 Conclusion ................................................................................................................ 72 7.4 Joint de clavage ................................................................................................................ 73 7.4.1 Rôle du joint de clavage ........................................................................................... 73 7.4.2 Dispositions constructives........................................................................................ 73 7.4.3 Détermination du temps nécessaire avant fermeture du joint de clavage ............. 73 7.5 Vérification en phase d’exploitation de l’ouvrage ........................................................... 76 CONCLUSION............................................................................................................................... 79 BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................................ 81 TABLES DES ILLUSTRATIONS Figure 1.1 - Musée d'Art moderne et contemporain de Strasbourg.................................................. 9 Figure 2.1 - Maquette du projet Loisium ......................................................................................... 10 Figure 2.2 - Vue en plan du projet Loisium et de son concept d'arborescence............................... 10 Figure 2.3 - Vue en plan des 6 bâtiments du complexe Loisium...................................................... 12 Figure 2.4 - Coupe A-A : Différence des niveaux des bâtiments A et E............................................ 12 Figure 2.5 - Coupe D-D : Etagement du bâtiment B......................................................................... 13 Figure 2.6 - Planning de l'opération ................................................................................................. 14 Figure 3.1 - Vues du modèle du bâtiment E réalisé sur Effel Structure ........................................... 15 Figure 3.2 - Modélisation des éléments filaires ............................................................................... 15 Figure 3.3 - Valeur des efforts verticaux aux ELS selon le type d’appui........................................... 17 Figure 3.4 - Voile sur appuis élastiques............................................................................................ 18 Figure 4.1 - Pente de 1/3 entre niveaux d'assises de fondations .................................................... 22 Figure 4.2 Coupe de principe des fondations du bâtiment B ........................................................ 23 -Figure 4.3 - Mode opératoire pour le calcul sur appuis élastiques.................................................. 28 Figure 4.4 - Principe de ferraillage des fondations superficielles .................................................... 34 Figure 5.1 - Comparaison des accélérations sismiques PS92/EC8 ................................................... 43 Figure 5.2 - Diagramme élastoplastique .......................................................................................... 44 Figure 5.3 - Valeur du coefficient de comportement....................................................................... 45 Figure 5.4 - Vues en plan des modèles orientés à 0° (a) et 45° (b) et vue en perspective des modèles (c) ....................................................................................................................................... 47 Figure 5.5 - Cône d'arrachement d'une fondation superficielle ...................................................... 50 Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 6
Figure 5.6 - Raidisseurs verticaux..................................................................................................... 51 Figure 5.8 - Principe de réalisation des micropieux ......................................................................... 52 Figure 5.7 - Bâtiment B - Localisation des efforts d'arrachement ................................................... 52 Figure 5.9 - Cône d'arrachement d'un pieu ..................................................................................... 54 Figure 5.10 – Loi de comportement du sol pour les actions de courte durée ................................. 55 Figure 5.11 - Modélisation du comportement des pieux sous sollicitations horizontales .............. 57 Figure 6.1 - Vue en perspective de la dalle de transfert du bâtiment B .......................................... 58 Figure 6.2 - (a) Déformations déviées des barres - (b) Configuration en marches d'escalier.......... 61 Figure 6.3 - Définition du feuillet moyen ......................................................................................... 63 Figure 7.1 - Modélisation du bâtiment D ......................................................................................... 67 Figure 7.2 - Joint de clavage dans une dalle..................................................................................... 73 Figure 7.3 - Evolution du retrait dans le temps................................................................................ 75 Figure 7.4 – (a) Evolution de la température dans la paroi – (b) Contrainte du béton dû au gradient thermique ......................................................................................................................................... 77 TABLE DES TABLEAUX Tableau 2.1 - Description des niveaux ............................................................................................. 11 Tableau 3.1 - Valeur des efforts verticaux selon la raideur des appuis ........................................... 17 Tableau 3.2 - Voile sur appuis élastiques – Valeurs des réactions aux appuis ................................ 18 Tableau 3.3 - Déplacements maximums des modèles sur appuis rigides et élastiques .................. 19 Tableau 3.4 - Effets d'une variation de raideur................................................................................ 20 Tableau 4.1 - Systèmes de fondations ............................................................................................. 24 Tableau 4.2 - Valeurs des modules pressiométriques équivalents et du coefficient rhéologique .. 26 Tableau 4.3 - Contrainte de rupture du sol aux ELS......................................................................... 32 Tableau 4.4 - Armatures longitudinales des pieux........................................................................... 41 Tableau 4.5 - Diamètres et espacements des armatures transversales des pieux .......................... 41 Tableau 5.1 - Caractéristiques modales ........................................................................................... 47 Tableau 5.2 - Comparaison des efforts sismiques selon l'orientation du modèle ........................... 47 Tableau 5.3 - Calcul des raideurs dynamiques pour des fondations superficielles ......................... 49 Tableau 6.1 - Flèches maximales du modèle avec charges reportées et du modèle global ............ 59 Tableau 6.2 - Moments de flexion Mx maximaux du modèle avec charges reportées et du modèle global ................................................................................................................................................ 59 Tableau 6.3 - Moments de flexion My maximaux du modèle avec charges reportées et du modèle global ................................................................................................................................................ 59 Tableau 6.4 - Résistance de calcul du béton aux ELU ...................................................................... 60 Tableau 7.1 - Sections minimales d'acier ......................................................................................... 71 Tableau 7.2 - Evolution du retrait dans le temps ............................................................................. 75 Tableau 7.3 - Températures extérieures et intérieures ................................................................... 76 Tableau 7.4 - Gradient thermique du béton .................................................................................... 77 Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille
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IORTNTCUDNOI Mon projet de fin d’études porte sur la modélisation et le dimensionnement de structures du complexe hôtelier Loisium à Voegtlinshoffen. La structure, imaginée par l’architecte New-Yorkais Steven Holl, est composée de six bâtiments, de quatre à six niveaux et accueillera des chambres, des espaces de détente et de restauration, ainsi qu’un centre événementiel. Cette étude s’est déroulée au sein de l’entreprise OTE Ingénierie, située à Illkirch et a été orientée autour de quatre axes principaux. Dans un premier temps, les cinq bâtiments en béton du complexe Loisium ont été modélisés sur un logiciel de calcul aux éléments finis. Les hypothèses de modélisation seront présentées dans le rapport. Ces modèles serviront ensuite de support pour traiter les trois autres thèmes majeurs de mon projet de fin d’études. L’étude statique et sismique des fondations sera ensuite réalisée en s’appuyant sur les conclusions du rapport de sol et en tenant compte des contraintes architecturales. Tout d’abord, les systèmes de fondations des différents bâtiments seront choisis afin de s’adapter au mieux aux contraintes du projet. Les règles de dimensionnement des fondations seront ensuite détaillées dans le cas du calcul statique puis sismique, en portant une attention particulière à la gestion des efforts sismiques d’arrachements. Cette étude a également permis d’aborder la problématique de l’interaction sol-structure à travers le calcul des raideurs statiques et dynamiques des appuis. La troisième étape traitera de l’étude d’une dalle épaisse de transfert de charges. On présentera l’ensemble des vérifications effectuées sur cette dalle en portant une attention particulière sur l’influence du moment de torsion sur le ferraillage de la dalle. Une étude comparative sera également présentée afin de montrer l’incidence de la modélisation sur les sollicitations et les déformations. La dernière étape de ce projet de fin d’études portera sur les conséquences du retrait et des variations thermiques sur une dalle de grande longueur sans joint de dilatation. On expliquera les incidences de ces phénomènes sur les structures et en particulier sur le ferraillage des dalles. On présentera ensuite les dispositions constructives permettant de rendre négligeables ces effets. Ce mémoire présente ma démarche et les travaux que j’ai réalisés durant mon projet de fin d’études. Il sera décomposé en 7 chapitres. Je commencerai par présenter le bureau d’études OTE, qui m’a accueilli pendant ce stage, avant de décrire le projet Loisium. On décrira ensuite les hypothèses utilisées pour l’étape de modélisation. L’étude statique et sismique des fondations fera l’objet des parties 4 et 5. Enfin les parties 6 et 7 traiteront respectivement de l’étude d’une dalle de transfert de charges et des conséquences du retrait et des variations thermiques sur une dalle de grande longueur.
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1 PRESENTATION DE L’ERSTIPRENE 1.1 Généralités Omnium Technique Européen est un bureau d’études pluridisciplinaire spécialiste de la construction de bâtiments publics, tertiaires et industriels de haute technicité, reconnu dans tout le quart nord-est de la France. Créé en 1962, le bureau d’études OTE s’est d’abord constitué en société civile avant de devenir en 1980 une société anonyme à directoire. Le directoire est actuellement composé de 5 membres. Le capital de la société est détenu majoritairement par 22 actionnaires actifs dans la société et s’élève à 1M€. Le groupe OTE emploie environ 200 personnes, dont une centaine de cadres. La plupart de ses collaborateurs sont regroupés au siège d’Illkirch-Graffenstaden dans la banlieue de Strasbourg. OTE Ingénierie possède d’autres agences à Mulhouse (68), Colmar (68), Metz (57), Paris (75) et Nantes (44). Le groupe OTE Ingénierie comprend également d’autres structures telles que ITECO, ensemblier, R2A, maître d’œuvre en région Lorraine, et OTELIO, conseils et assistance à la maîtrise d’ouvrage HQE (Haute qualité environnementale). 1.2 Activités OTE Ingénierie produit annuellement plus de 16 M€ d’études. Les compétences du bureau d’études sont : La direction de projet Le génie électrique L’environnement et la sécurité L’économie de la construction Le génie civil Les voiries et les réseaux divers Le génie thermique La direction de travaux Réalisations notoires d’OTE Ingénierie : Nouvel Hôpital Civil de Strasbourg Parlement européen IPE4 Musée d’Art moderne et contemporain de Strasbourg (Figure 1.1) Hôtel du département du Haut-Rhin (Colmar) Centre hospitalier universitaire de Grenoble
Figure 1.1 - Musée d'Art moderne et contemporain de Strasbourg
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2 DESCRIPTION DU PROJET Ce paragraphe est dédié à la description du projet. On commencera par expliquer le concept architectural du projet, puis on décrira les particularités structurelles du complexe. On abordera enfin les principaux acteurs du projet, son coût et le planning de l’opération. 2.1 Description architecturale Ce projet a pour objet la construction d’un complexe hôtelier de luxe à Voegtlinshoffen, commune
L’établissement est situé sur les hauteurs de Voegtlinshoffen, à proximité du site historique de l’Abbaye de Marbach, au pied d’une ancienne carrière. Les installations seront exploitées par la société LOISIUM ALSACE et seront implantées sur un terrain de 15 000 m². Le complexe hôtelier haut de gamme (4 étoiles) est dédié à la vinothérapie. Le projet se compose de 96 chambres, d’espaces spa et relaxation, d’espaces restauration et bar, de salles de réunion et d’un espace événementiel. Le projet, imaginé par l’architecte New Yorkais Steven HOLL, forme une « structure arborescente » (Figure 2.2) : les bâtiments représentent des branches et une fleur aux tons rouges émerge de cet édifice en béton bardé de bois. Ce concept permet au complexe de s’intégrer en douceur à la pente du paysage. Ces façades en bois sombre brûlé se fondent dans la Figure 2.2 - Vue en plan du projet Loisium et de son concept d'arborescence Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 10
verdure de la forêt et l’acier rouge patiné (acier Corten©) du pavillon consacré à l’événementiel s’harmonise aux couleurs de la carrière de grès. La forme arborescente permet également de former différents espaces extérieurs indépendants : un endroit privatif pour le spa, une partie à caractère plus public pour le restaurant. Dans l’hôtel, les couloirs, les chambres et suites offrent une vue exceptionnelle sur le vignoble alsacien. Toutes les chambres disposent d’un balcon avec fenêtres allant du sol au plafond afin de renforcer le rapport à la nature. Le pavillon événementiel comprend à sa base une galerie à vin reliée au restaurant. Au niveau supérieur, relié au hall, se trouve un espace de réunions dédié aux concerts, mariages et autres manifestations de l’hôtel. Les affectations des différents niveaux du bâtiment qui sera établi sur un site en pente (environ du niveau + 398,00 côté est, aux niveaux + 412,00 / + 413,00 en limite du bâtiment projeté côté ouest), seront (Tableau 2.1) : Etage Hauteur par rapport Description au niveau 0 R+6 + 19,40 m - 1 chambre en duplex (tour ouest) R+5 + 16,25 m - 1 chambre (tour ouest) R+4 + 13,10 m - a2c2c ecshsaibmleb rdees p(udiso lnet Rd+u4p)l ex R+5/R+6 de la tour ud R+3 + 9,95 m - 34 chambres dont 3 chambres accessibles aux PMR R+2 d e r pelaxitné-rpiied + 6,80 m - 32 chambres su eur côté ouest R+1 - 6 chambres de plain-pied - spa : salons, salles fitness-yoga, espaces bains-sauna + 2,85 m sur extérieur et détente côté sud/ouest - salle de réunion RDC - hall-ba - espace événementiel surd ee xptléariine-upri ecdô t é +/- 0,00 m spa : espace détente et piscine -nord et sud/est - locaux sociaux et bureaux personnels RDJ l de plad sur -- rceusitsianuer, alnotc aetu xs ateocnh niques et tockages in-pie - 3,55 m extérieur côté est s Tableau 2.1 - Description des niveaux Des vues architecturales du projet figurent en annexe 1. Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 11
