Règles de calcul et construction des charpentes en acier
Préface   Ce document constitue la dixième édition de CSA S16, Règles de calcul et construction des charpentes en acier . Il remplace les éditions précédentes des états limites publiées en 2019, 2014, 2009, 2001, 1994, 1989, 1984, 1978 et 1974. Ces éditions ont été précédées de sept éditions sur le calcul aux contraintes admissibles publiées en 1969, 1965, 1961, 1954, 1940, 1930 et 1924. L’édition de 1969 a été retirée en 1984 et, depuis, le calcul des charpentes en acier au Canada a fait appel aux principes du calcul aux états limites.   Les principaux changements apportés à cette édition sont les suivants :
- De petites modifications ont été apportées au domaine d’application afin de l’harmoniser au mandat du Comité technique sur les règles de calcul et la construction des charpentes en acier.   b) L’obligation pour les concepteurs de prendre en compte et de préciser les surcharges de construction a été incluse pour le platelage de tôle d’acier et les éléments structuraux qui soutiennent le platelage. Une référence a été faite à ICTAB 12M pour déterminer les dispositions relatives au platelage supportant le béton plastique, avec l’option de concevoir les éléments structurals supportant le platelage conformément aux conditions de chargement de CSA S269.1.   c) Sauf pour les cadres planaires des bâtiments de faible hauteur dans certaines conditions, il est essentiel que les effets P-Δ soient pris en compte en effectuant une analyse de second ordre. L’approche du facteur U 2 ne donne des résultats précis que pour les structures simples lorsque les charges latérales et les effets de stabilité sont uniformément répartis entre les cadres dans la direction de la charge et que la structure a une réponse limitée en torsion.   d) L’application des surfaces brutes et nettes a été clarifiée pour les vérifications de capacité des éléments et des assemblages en traction, en compression et en cisaillement.   e) Les symboles pour la surface nette effective lors de la détermination de la charge de traction transmise par les soudures ont été modifiés pour indiquer que les effets de retard de cisaillement sont pris en compte.   f) La méthodologie de détermination de la capacité des éléments de traction de profilés creux structuraux chargés concentriquement et excentriquement avec des plaques dans des trous oblongs a été unifiée. Au fur et à mesure que la longueur de la plaque dans le trou oblong diminue, la capacité de l’élément passe de la section nette entièrement développée par une réduction due au retard de cisaillement à une défaillance régie par l’arrachement par cisaillement en bloc.   g) Le paramètre par défaut pour déterminer la résistance à la compression axiale pondérée est n = 1,34. La valeur de n = 2,24 pourrait être utilisée dans certaines circonstances.   h) L’analyse élastique est maintenant employée pour déterminer la résistance au cisaillement des éléments de profilés creux structuraux rectangulaires et carrés de classes 3 et 4 et des formes de boîtes fermées fabriquées pour lesquelles un flambage local de la paroi est susceptible de se produire.   i) Des définitions de l’aire de cisaillement sont fournies pour déterminer la résistance au cisaillement des éléments de profilés creux structuraux et des éléments de profilés creux structuraux remplis de béton lorsque le flambage local des parois est évité.   j) Les dispositions relatives à la retenue latérale et rotative des poutres dans les constructions Gerber ont été clarifiées. Lorsque la retenue est assurée par des assemblages boulonnés aux poutres, il est essentiel que l’effet des trous pour les fixations sur la résistance soit pris en compte.   k) Lorsque la résistance pondérée des soudures d’angle orientées dans plusieurs directions est combinée dans le même plan de cisaillement, le facteur de réduction de différentes orientations, Mw, est utilisé indépendamment de l’application du facteur d’amélioration de la résistance.   l) Lors de la détermination de la capacité des soudures pour les éléments de profilés creux structuraux, il est essentiel que les propriétés géométriques soient déterminées conformément à CSA W59.   m) En plus de la capacité lors de la modélisation en tant que poteau, une exigence a été ajoutée pour vérifier la résistance au roulement pondérée des raidisseurs-porteurs, B r .   n) Les exigences relatives à la détermination de la capacité de cisaillement et de résistance au moment des poutres et des poutrelles s’appliquent aux éléments avec ou sans raidisseurs transversaux.   o) Les éléments de structure formés à froid utilisés pour les poutrelles à treillis en acier peuvent utiliser l’effet du formage à froid conformément à la section A3.3 d’AISI S100. Il ne faut pas utiliser les limites d’élasticité fournies par les certificats d’essais en usine ou déterminées conformément à la section K2.3 d’AISI S100.   p) Il a été précisé que l’équation de la capacité de cisaillement unifiée des blocs s’applique qu’il y ait ou non un plan de traction au périmètre du bloc.   q) Le domaine d’application relative aux éléments de profilés creux structuraux remplis de béton a été révisé pour permettre des résistances du béton plus élevées pour les éléments soumis à la compression axiale et à la flexion. Une limite supérieure de 500 MPa a été spécifiée pour la limite d’élasticité de l’acier d’armature dans les calculs de conception.   r) Les expressions pour déterminer la résistance à la compression et la résistance à la flexion des éléments de profilés creux structuraux remplis de béton ont été révisées pour inclure la contribution de l’acier d’armature longitudinal à la résistance. Les nouvelles expressions sont basées sur l’intégration de blocs de contraintes entièrement plastiques pour le béton, l’acier de construction et l’acier d’armature.   s) Pour les éléments de profilés creux structuraux remplis de béton devant résister à la fois au moment de flexion et à la compression axiale, le coefficient de flexion dans les poutres-poteaux, β, a été révisé pour être cohérent avec celui utilisé pour les éléments de profilés creux structuraux non remplis, et le coefficient permettant de déterminer l’effet de flexion uniforme équivalent, ω1, a été spécifié.   t) Une exigence a été ajoutée pour déterminer la capacité en traction ou en cisaillement des éléments de profilés creux structuraux remplis de béton.   u) L’exigence relative à la détermination de la capacité des assemblages par contact avec des fourrures a été mise à jour pour être cohérente avec les dispositions adoptées par l’AISC et le RCSC.   v) Une référence a été faite à ASTM F3393 qui énumère les revêtements acceptables qui ne modifieront pas les propriétés mécaniques des assemblages de boulons revêtus de zinc/aluminium.   w) Pour les surfaces galvanisées à chaud des assemblages anti-glissement, le brossage électrique n’est pas autorisé sur les surfaces de contact, comme indiqué par le RCSC.   x) Les exigences relatives aux assises de poteaux et aux tiges d’ancrage ont été révisées pour s’harmoniser autant que possible avec CSA S6 et l’annexe D de CSA A23.3 (sur les ancrages). Les exigences relatives à la détermination des résistances contrôlées par l’acier demeurent dans CSA S16 et la référence est faite à CSA A23.3 pour les résistances contrôlées par le béton. Des articles ont été ajoutés pour déterminer la capacité des tiges d’ancrage avec des plaques d’assise avec ou sans coulis, des tiges d’ancrage soumises à un cisaillement, à une traction et à une flexion combinés, des tiges d’ancrage soumises à un cisaillement, à une compression et à une flexion combinés, et des barres de cisaillement.   y) Les exigences de calculs ont été mises à jour pour inclure une limite de fatigue pour les charges d’amplitude variable.   z) Une nouvelle exigence a été ajoutée pour déterminer la résistance à la plage de contraintes de fatigue des soudures à pénétration partielle chargées transversalement et des soudures d’angle chargées transversalement.   aa) Les exigences relatives aux forces et aux résistances de calcul sismique décrivant le calcul de la capacité pour les éléments flexibles du SRFS, les éléments non flexibles du SFRS, les diaphragmes, et l’ancrage du SFRS aux fondations, et les exigences relatives au calcul pour les fondations ont été mises à jour pour refléter les recherches de la dernière décennie, améliorer la cohérence dans le traitement des diaphragmes et aborder le calcul des fondations pour les bâtiments en acier.   ab) Les exigences particulières relatives au calcul sismique des assemblages boulonnés ont été limitées aux éléments verticaux du SFRS.   ac) Pour tenir compte des nouvelles dispositions du CNB, des exigences de performance supplémentaires relatives au comportement élastique ont été définies pour le calcul sismique.   ad) Pour les cadres résistants aux moments de type D (ductiles), l’approche pour déterminer l’élancement des poteaux, les limites de la charge axiale induite par la gravité et les exigences de calcul des panneaux de joint ont été mises à jour pour refléter les nouvelles recherches et les analyses à l’appui.   ae) Pour les contreventements concentriques de type MD (à ductilité modérée), les exigences et définitions mises à jour pour les différents systèmes de contreventement, y compris le V, le V inversé, le contreventement en X à deux étages et le contreventement à plusieurs niveaux, ont été incluses. Les exigences mises à jour relatives aux assemblages de contreventement ont été ajoutées, ainsi qu’une nouvelle exigence pour les assemblages centraux de contreventement en X. Des précisions ont été ajoutées concernant le moment de flexion supplémentaire à prendre en compte dans les poteaux des baies contreventées.   af) Pour les contreventements concentriques de type LD (ductilité limitée), les exigences ont été mises à jour pour le calcul des contreventements à plusieurs niveaux et une méthode simplifiée a été incluse pour le calcul des entretoises et des poteaux.   ag) Pour les cadres à contreventement excentrique de type D (ductiles), les exigences relatives aux différents systèmes de poutres de liaison ont été regroupées dans un nouvel article, et de nouvelles dispositions relatives aux liaisons modulaires coulées ont été ajoutées. Pour les liaisons modulaires en profilé en I reliées à une plaque d’extrémité, les exigences relatives à la longueur de la liaison et à la rotation inélastique ont été mises à jour, et des modifications ont été apportées aux dispositions relatives au calcul des assemblages à plaque d’extrémité. Des précisions ont été ajoutées concernant le moment de flexion supplémentaire à prendre en compte dans les poteaux des baies contreventées.   ah) Pour les contreventements avec diagonales ductiles confinées de type D (à ductilité modérée), de nouvelles exigences et définitions pour les différents systèmes de contreventement, y compris le V, le V inversé, le contreventement en X à deux étages et le contreventement à plusieurs niveaux, ont été ajoutées. Des précisions ont été ajoutées concernant le moment de flexion supplémentaire à prendre en compte dans les poteaux des baies contreventées.   ai) Pour la construction traditionnelle, des révisions substantielles ont été apportées aux dispositions de calcul, notamment les exigences relatives aux diaphragmes, la référence aux dispositions du CNB et de CSA A23.3 pour le calcul des fondations, les exigences relatives aux échelles résistant aux moments et les dispositions relatives aux contreventements concentriques.   aj) Dans le tableau 1 pour les éléments soumis à une compression axiale, le rapport largeur/épaisseur maximal pour les éléments soutenus le long d’un bord a été augmenté et des rapports largeur (ou diamètre)/épaisseur maximaux ont été ajoutés pour les éléments de profilés creux structuraux remplis de béton.   ak) Dans le tableau 2 pour les éléments soumis à la flexion ou à la flexion et à la compression combinées, le rapport largeur/épaisseur maximal pour les éléments soutenus le long d’un bord a été augmenté, les rapports hauteur/largeur pour les éléments de profilés creux structuraux rectangulaires ont été inclus, et les rapports largeur (hauteur ou diamètre)/épaisseur maximaux ont été ajoutés pour les éléments de profilés creux structuraux remplis de béton.   al) Pour le calcul des éléments soumis à la fatigue résultant des surcharges, le tableau 8 a été réorganisé pour placer dans l’ordre les nouvelles figures de raidisseurs de CSA W59 qui ont été introduites dans l’édition 2019 de cette norme.   am) Les exemples d’éléments soumis à une fatigue résultant des surcharges de la figure 2 ont été renumérotés dans l’ordre présenté dans le tableau 8. Certains exemples ont été ajoutés par souci de cohérence avec CSA W59.   an) L’annexe J sur les dispositions relatives aux essais de qualification pour les assemblages de moment sismique et les diagonales ductiles confinées a été révisée pour inclure des exigences supplémentaires pour les essais des liaisons dans les cadres à contreventement excentrique.   ao) L’annexe K sur le calcul structural visant la protection contre l’incendie a été révisée pour inclure les dispositions de la dernière version d’AISC-360, appendice 4.   ap) L’annexe N relative au calcul et à la construction de palettier en acier a été supprimée de la norme. À sa place, une nouvelle annexe N qui traite du calcul sismique des murs de refend composites remplis de béton de type D (ductiles) et des murs de refend composites remplis de béton couplés de type D (ductiles) a été ajoutée.   aq) L’annexe P sur les lignes directrices pour la spécification de l’inspection par une tierce partie des charpentes en acier a été révisée pour inclure les composants en acier utilisés avec d’autres matériaux et pour indiquer que les exigences en matière d’inspection des soudures pour les friches industrielles sont plus fréquentes que pour les nouveaux sites.   ar) L’annexe Q sur les exigences supplémentaires pour les pièces coulées utilisées comme éléments de dissipation d’énergie a été ajoutée pour la spécification des pièces coulées dans les applications sismiques.   as) L’annexe R, une nouvelle annexe informative sur un système de gestion de la qualité pour les charpentes, a été ajoutée.   Un commentaire relatif à cette norme, élaboré par l’Institut canadien de la construction en acier auquel ont contribué bon nombre de membres du comité technique, constitue la deuxième partie du Handbook of Steel Construction publié par l’institut.   Cette norme est conçue pour être utilisée avec l’édition 2025 du Code national du bâtiment — Canada (CNB), plus particulièrement l’article 7, qui traite des coefficients de charge, des combinaisons de charges et autres conditions de chargement.   L’annexe K est reproduite avec des modifications d’ANSI/AISC 360, appendice 4. Droit d’auteur American Institute of Steel Construction. Reproduction autorisée. Tous droits réservés.   La version française de cette norme a été préparée par Groupe CSA, d’après l’édition anglaise publiée en avril 2024, laquelle a été élaborée par le Comité technique sur les règles de calcul et la construction des charpentes en acier, sous l’autorité du Comité directeur stratégique sur la construction et les infrastructures civiles, et a été approuvée par le Comité technique.   La présente norme a été élaborée conformément aux exigences du Conseil canadien des normes relatives aux Normes nationales du Canada. La présente norme a été publiée en tant que Norme nationale du Canada par Groupe CSA.   Domaine et conditions d’application   1.1 Généralités   Cette norme énonce des règles et des exigences relatives au calcul, à la fabrication et au montage d’une vaste gamme de charpentes en acier, selon la méthode du calcul aux états limites. L’expression « charpente en acier » désigne les éléments de structure et les cadres composés principalement d’acier de construction, y compris les ensembles mixtes faits d’acier de construction et de béton, les accessoires, les soudures, les boulons ou autres attaches nécessaires à la fabrication et au montage. Cette norme vise aussi les éléments en acier de construction des structures assemblées à l’aide d’autres matériaux. Les articles sur la fabrication et le montage démontrent que le calcul fait partie intégrante de la série d’étapes conception-fabrication-montage et qu’il n’est donc pas considéré isolément. Pour les questions concernant les pratiques normalisées relatives à la fabrication et au montage des charpentes en acier non couvertes par la présente norme, voir l’annexe A. Pour des informations sur l’utilisation de systèmes de gestion de la qualité pour la fabrication de charpentes en acier, voir l’annexe R.   1.2 Exigences   D’autres normes CSA couvrent les exigences relatives aux charpentes en acier, telles que les ponts, les tours d’antenne, les structures en mer et les palettiers en acier, tandis que les exigences relatives aux éléments de charpente en acier formés à froid figurent dans AISI S100.   1.3 Champ d’application   Cette norme énonce les exigences minimales et n’est censée être utilisée que par des ingénieurs compétents dans le calcul et la construction des charpentes en acier. Elle vise sans réserve les charpentes en acier, sauf que des règles et des exigences supplémentaires pourraient être nécessaires pour :
- les types de construction peu courants
- les constructions mixtes
- les charpentes en acier :
- de grande hauteur ou de grande portée;   ii) qui sont censées être transportables ou facilement démontables;   iii) exposées à des conditions environnementales rigoureuses;   iv) exposées à de fortes charges telles que celles provenant des chocs causés par les véhicules ou des explosions
- qui sont censées satisfaire à des critères d’esthétique, d’architecture ou autres qui ne portent pas sur la charpente proprement dite;   vi) qui demandent l’utilisation de matériaux ou de produits ne figurant pas à l’article 5; ou   vii) qui présentent d’autres caractéristiques particulières susceptibles d’influer sur le calcul, la fabrication ou le montage
- les réservoirs, les cheminées, les autres structures en plaques, les poteaux et les pilots; et   e) les charpentes de support des ponts roulants.   1.4 Autres normes   L’utilisation d’autres normes pour la conception, le montage et/ou l’inspection d’éléments ou de pièces de charpente en acier n’est ni justifiée ni acceptable sauf si cette norme l’indique clairement. Les formules de calcul données dans cette norme peuvent être complétées par un calcul rationnel fondé sur la théorie, l’analyse et la pratique de l’ingénierie jugées acceptables par les autorités compétentes, à condition que les marges (ou coefficients) de sécurité soient au moins équivalents à ceux visés par les dispositions de cette norme. L’utilisation d’autres normes ou critères pour la conception, le montage et/ou l’inspection est formellement interdite à moins que cette norme ne l’exige.   1.5 Terminologie   Dans cette norme, le terme « doit » indique une exigence, c.-à-d. une prescription que l’utilisateur est obligé de respecter pour assurer la conformité à la norme; « devrait » indique une recommandation ou ce qu’il est conseillé, mais non obligatoire de faire; et « peut » indique une possibilité ou ce qu’il est permis de faire.   Les notes qui accompagnent les articles ne comprennent pas de prescriptions ni de recommandations. Elles servent à séparer du texte les explications ou les renseignements qui ne font pas proprement partie de la norme.   Les notes au bas des figures et des tableaux font partie de ceux-ci et peuvent être rédigées comme des prescriptions.   Les annexes sont qualifiées de normatives (obligatoires) ou d’informatives (facultatives) pour en préciser l’application.