Murs porteurs à montants d’acier

Construction résidentielle à logements multiples

Les murs porteurs préfabriqués à ossature métallique structurale formée à froid (CFMF) constituent un système de construction tendance et une alternative économique aux systèmes en acier de construction ou en béton armé pour la construction d’immeubles de moyenne hauteur. Les systèmes de murs CFMF sont particulièrement souhaitables pour les appartements multifamiliaux ou les condominiums de 6 à 12 étages, les logements pour étudiants, les résidences pour personnes âgées et les hôtels. Les cloisons et les murs de séparation résidentiels alignés verticalement permettent aux CFMF de s’empiler comme des murs porteurs à ossature de bois ou en éléments de maçonnerie en béton (CMU). Cependant, les murs CFMF sont moins restrictifs en termes de hauteur que le bois d’œuvre en raison de la plus grande résistance de l’acier et ne nécessitent pas autant de travail que les CMU en raison de la préfabrication. En outre, les systèmes CFMF intègrent des panneaux muraux en tant que système structurel dans ce qui serait généralement des cloisons non structurelles, construites en bâtons.

La prévalence des systèmes de panneaux muraux CFMF s’accompagne de défis de conception et de construction. L’intégration de la conception déléguée, la coordination du commerce dans un élément traditionnellement non structurel, et les détails de résistance au feu sont parmi les défis de ce système. Cet article résume le processus d’aménagement du système CFMF, les options de conception et de spécification, ainsi que les considérations qui peuvent être négligées lors de la planification et de la tarification initiales.

Vue d’ensemble du système

Les systèmes CFMF sont plus efficaces lorsque les panneaux muraux s’alignent, ou  » s’empilent « , de la fondation au toit. Les constructions résidentielles à logements multiples intègrent souvent des espaces de programmation pour le commerce de détail, les bureaux, les commodités ou le stationnement généralement aux niveaux les plus bas du bâtiment. Dans ces cas, les murs porteurs du CFMF sont construits au niveau du podium, généralement en acier de construction ou en béton armé coulé sur place. Les deux systèmes peuvent être conçus pour supporter des murs porteurs discontinus et pour fournir une séparation plus élevée du degré de résistance au feu qui peut être requise entre différents types d’occupation. Dès le début d’un projet, il devrait y avoir un dialogue entre l’équipe de conception et le propriétaire pour empiler les murs, et idéalement les ouvertures murales, afin de minimiser les transferts dans le système CFMF.

Panneaux muraux CFMF préfabriqués et structuraux. Courtoisie de Bear Construction Co.

Les murs porteurs CFMF peuvent être espacés de 10 à 32 pieds selon les capacités de portée de la construction de plancher. Pour la portée entre les murs porteurs, les options du système de plancher comprennent le béton coulé sur place sur un tablier métallique composite non étayé, le béton coulé sur place sur un tablier métallique étayé à longue portée, ou des planches creuses préfabriquées et précontraintes. Alternativement, la construction du plancher peut consister en des panneaux de béton ou un tablier en acier soutenu par des solives de plancher CFMF qui s’étendent entre les murs porteurs.

Chaque système de plancher présente des avantages et des inconvénients. Par exemple, le béton sur un tablier métallique composite non étayé nécessite moins de main-d’œuvre associée à l’étayage que le tablier métallique à longue portée étayé ; cependant, le tablier métallique non étayé est généralement limité à une longueur de portée d’environ 15 pieds, alors que le tablier à longue portée peut atteindre jusqu’à 32 pieds entre les murs porteurs. Les planches creuses préfabriquées et précontraintes peuvent atteindre des portées similaires à celles des tabliers en acier à longue portée ; cependant, les planches peuvent nécessiter une surélévation structurale pour la mise à niveau du plancher et constituent un système plus lourd, ce qui entraîne une augmentation de la charge sur les panneaux muraux, le podium et les fondations.

Construction de tabliers en acier composite sans étayage.

Par rapport aux options de tablier en acier, les poutrelles de plancher CFMF peuvent être attrayantes en raison de leurs capacités de portée sans recours à l’étayage ; toutefois, un système de poutrelles de plancher CFMF est généralement de 6 à 12 pouces plus profond qu’un système de tablier en acier, ce qui laisse moins d’espace pour la distribution MEP, exigeant des plafonds plus bas ou nécessitant des hauteurs de plancher à plancher plus élevées. De plus, les systèmes de poutrelles de plancher CFMF peuvent nécessiter un assemblage de plafond à indice de résistance au feu, alors que les systèmes à tablier métallique peuvent généralement atteindre un indice de résistance au feu non protégé dans le béton. Les options de tablier métallique (avec ou sans étaiement) sont attrayantes, compte tenu de la simplicité de leurs détails et de la finesse de leur profil. Pour les systèmes de tablier et de poutrelles CFMF, si la portée est parallèle à un couloir central, un linteau est nécessaire pour couvrir l’extrémité du panneau mural CFMF au-dessus du couloir. Le linteau fait partie du chemin de charge structurel et peut nécessiter un indice de résistance au feu de 1 ou 2 heures.

Le système de résistance aux charges latérales (SRL) d’un bâtiment CFMF peut être constitué de divers systèmes structurels. Il peut être avantageux d’utiliser les murs du CFMF comme système latéral, en s’appuyant sur des feuilles ou des sangles en acier du CFMF. Dans ce cas, le transfert des moments de renversement dans les systèmes de murs et le transfert des charges des murs CFMF à la structure du podium sont des considérations importantes ; dans le premier cas, les détails supplémentaires peuvent nuire à l’efficacité du système. Par ailleurs, les murs autour des escaliers et des ascenseurs constituent un emplacement opportun pour introduire des murs de cisaillement en béton armé, des murs de cisaillement en CMU ou des cadres contreventés en acier pour le LLRS. Quel que soit le système choisi, la séquence des métiers est une discussion essentielle à avoir avec les entrepreneurs potentiels, qu’ils soient impliqués au début du projet dans un rôle d’assistance à la conception ou qu’ils soumissionnent le projet.

Conception et spécification

Traditionnellement, la construction de panneaux muraux CFMF a été régie par des systèmes qui ont été développés par les fabricants et leur ingénieur structurel spécialisé (SSE). Le SSE conçoit ces systèmes, qui sont accordés aux techniques de fabrication et d’installation préférées de l’entrepreneur. Une autre approche consiste à ce que l’ingénieur en structure enregistré (SER) de l’équipe de conception conçoive un système d’ossature en poteaux personnalisé ou délègue la conception d’un système personnalisé à l’entrepreneur. Le SER qui conçoit le système est l’approche la moins courante et n’est pas abordée ici.

Une conception déléguée appropriée, que ce soit pour un système personnalisé ou propriétaire, exige que l’équipe de conception identifie l’emplacement et l’étendue des murs porteurs CFMF sur les dessins. La conception déléguée d’un système de construction décrit un scénario dans lequel le SER fournit un ensemble de critères de conception que le SSE d’un entrepreneur doit suivre pour concevoir, fabriquer et installer le système de construction identifié. En plus d’identifier l’emplacement et l’étendue des murs CFMF, il est essentiel que l’équipe de conception indique les autres corps de métier, tant structurels que non structurels, qui sont en interface ou font partie intégrante des murs CFMF.

Une partie cruciale des critères de conception déléguée est la communication des informations sur les charges des murs et des planchers au SSE de l’entrepreneur. Les plans de charge du plancher doivent être employés pour montrer l’ampleur et l’étendue des charges mortes et vives superposées, en particulier les charges importantes ou non uniformes et les charges des murs extérieurs. Des détails spécifiques peuvent également être requis pour indiquer l’emplacement et l’ampleur des charges des murs extérieurs ou des charges ponctuelles, comme les transferts, les poutres de transfert des couloirs et l’équipement de toit.

Le revêtement des murs extérieurs est fréquemment une conception déléguée partielle ou complète. L’intersection de plusieurs composants de conception déléguée peut entraîner une mauvaise coordination pendant la construction. L’équipe de conception doit clairement documenter les détails de la base de conception pour l’intégration des divers systèmes comme base pour les soumissions des entrepreneurs. De plus, une matrice des responsabilités est un outil utile pour documenter les rôles de l’architecte officiel (AoR), du SER, de l’entrepreneur général (GC), des sous-traitants spécialisés, du fabricant/installateur de CFMF et de son SSE, et du fabricant/installateur de murs extérieurs et de son SSE pendant le processus d’examen des soumissions et la construction subséquente. La matrice peut être publiée avec les documents de construction pour définir la démarcation de la conception pour chaque ingénieur en structure. L’équipe de conception peut s’appuyer sur la matrice pendant les examens des soumissions pour indiquer la coordination nécessaire avec les autres corps de métier.

Quel que soit le système – propriétaire ou personnalisé – le SER doit développer une analyse préliminaire des composants typiques des murs CFMF à la fois pour établir l’acceptabilité pour la disposition prévue et pour fournir une base de conception pour la budgétisation et l’appel d’offres avant la construction. Cet effort permet de valider l’approche, d’établir les charges de conception pour le podium et les fondations, d’aider le SER à identifier les principales options de disposition ou les contraintes, et d’indiquer au SER les cas où des détails spéciaux, une taille minimale ou un gabarit de matériau sont nécessaires. Cela aidera le SER à élaborer une conception déléguée plus fiable.

Considérations relatives à la conception et à la construction

Construction du podium

La construction au niveau du podium doit être conçue selon des critères de déflexion plus élevés afin de tenir compte de la sensibilité des murs porteurs CFMF revêtus de plaques de plâtre (GWB). Le déplacement accumulé peut entraîner des fissures de finition non structurales si un niveau podium n’est pas suffisamment rigide. La programmation précoce devrait tenir compte de la profondeur accrue de la structure sous le premier étage des murs porteurs de CFMF.

Cotes de feu

En tant qu’éléments porteurs structuraux primaires, les CFMF peuvent être tenus d’obtenir une cote de feu allant jusqu’à 2 heures. Un classement de 2 heures est obtenu avec une deuxième couche de GWB de chaque côté du mur. Il s’agit d’un poids supplémentaire qui doit être pris en compte dans la conception des montants et clairement indiqué dans le langage de délégation à la SSE. Une autre considération pour les architectes et les entrepreneurs est la continuité de la cote – elle doit se poursuivre autour des montants de porte, des boîtes électriques et d’autres éléments similaires faisant partie intégrante du mur structural CFMF. Dans la mesure du possible, l’équipe de conception doit coordonner toutes les pénétrations dans un mur CFMF pour qu’elles se produisent dans une partie non structurelle d’un mur structurel CFMF afin de simplifier les détails du classement au feu pendant la construction.

Flexibilité future

Bien que le CFMF permette à un mur de séparation généralement non structurel de servir d’élément structurel principal, il ne permet généralement pas de flexibilité future. Bien que cela puisse être acceptable pour les hôtels et les dortoirs, cela peut être moins souhaitable dans les appartements et particulièrement les condominiums où les propriétaires peuvent vouloir avoir la possibilité de modifier leur unité ou de combiner des unités à l’avenir. Une protection contre la limitation de la flexibilité future est d’utiliser un système de plancher à longue portée dans lequel soit les murs extérieurs et les murs de couloir sont les murs porteurs primaires, soit seuls les murs mitoyens des unités sont les murs porteurs primaires, ou une combinaison de ceux-ci.

Construction de tablier en acier à longue portée.

Murs non empilés

Les murs porteurs de type CFMF sont un système efficace pour les programmes à usage répétitif comme le résidentiel. Cependant, lorsque des programmes atypiques migrent dans, sous ou au-dessus des murs porteurs CFMF, des inefficacités encombrent le système. Cela prend généralement la forme d’acier de construction laminé à chaud dans les murs à montants d’acier, d’une charpente métallique indépendante ou de programmes similaires. Cela entraîne des inefficacités dans la conception et la fabrication des murs CFMF et augmente la complexité du séquençage des métiers de la construction.

Détails des rails supérieurs

Les rails supérieurs à l’intérieur d’un mur porteur CFMF fonctionnent comme un élément de répartition de la charge lorsque le système de plancher (par exemple, la cannelure basse du tablier métallique ou la bride d’une solive CFMF) ne s’aligne pas nécessairement avec un montant vertical. Les panneaux muraux sont généralement installés sur le dessus de chaque niveau de plancher, de sorte que le rail supérieur doit être conçu/détaillé pour transférer la charge du système de plancher et des planchers du niveau supérieur au montant vertical adjacent. Selon l’expérience des auteurs, c’est une fausse économie pour l’entrepreneur de prendre une économie de coût en présumant que les installateurs aligneront le système de plancher avec les montants individuels.

Séquence de construction

Une réflexion approfondie sur la coordination des métiers pendant la séquence d’érection verticale favorisera l’efficacité de la construction. Les métiers traditionnels tels que les maçons, les charpentiers, les ferronniers, les fournisseurs de béton et les ouvriers chargés de la mise en place du béton devront être échelonnés au fur et à mesure de la construction de chaque étage, et ils devront être sensibilisés à l’intégration de leurs systèmes dans la construction de CFMF.

Goujons structuraux contre goujons de cloison

Historiquement, la CFMF ne fait pas partie de l’ossature structurale primaire du bâtiment, servant généralement de mur de soutien extérieur ou de cloison. Bien que cela fasse partie de l’intrigue et de l’efficacité du système, cela peut créer de la confusion sur le chantier. Il est important de documenter clairement le CFMF structurel dans les dessins de structure et d’architecture. Mais il est encore plus important d’informer l’entrepreneur et ses sous-traitants, tôt et souvent, que le CFMF structurel ne peut être modifié sans examen et analyse par le SSE du CFMF. Les modifications courantes sur le terrain comprennent les pénétrations à travers les montants pour la plomberie et les systèmes électriques et le retrait temporaire des montants pour l’évacuation de la construction.

Revêtement extérieur et bords de dalle

Le bord extérieur d’un bâtiment à mur porteur CFMF peut fréquemment n’être que le bord mince d’une dalle de béton sur un tablier d’acier. Cela crée une efficacité structurelle mais peut créer des maux de cœur en façade selon le matériau et le système de fixation. Il est essentiel de déterminer les matériaux de façade et les systèmes de fixation dès le début de l’étude d’un système structurel CFMF – les détails spéciaux requis pour certains systèmes de façade peuvent rapidement éroder toute efficacité dans le CFMF structurel. L’AoR et le SER devraient établir la base des détails de conception pour les fixations de façade et les exigences de la CFMF structurelle et non structurelle aux fixations de façade.

Résumé

Les bâtiments à murs porteurs CFMF sont de plus en plus une option rentable sur le marché des immeubles résidentiels à logements multiples de faible et moyenne hauteur. En tant que nouvelle approche de conception et de construction, il y a une courbe d’apprentissage pour les concepteurs et les entrepreneurs. Comprendre les opportunités et les défis du système est la clé d’un projet réussi.■