Les inducteurs de coûts cachés et les détails négligés de la fabrication d'acier de construction

FIGURE 1. Cette colonne complexe à plaque de couverture et à larges semelles est dotée d'un contreventement étendu, conçu pour résister à l'explosion. Tous ces travaux ajoutent des coûts importants, à la fois pour la main-d'œuvre dans l'atelier et sur le terrain. Parfois, une telle complexité n'est tout simplement pas évitable, mais le coût de cette complexité doit être pris en compte dans le travail.

Tim Bradshaw est tout au sujet de donner des visites d'ateliers, en particulier aux ingénieurs en structure. En tant que vice-président de la réalisation de projets chez Owen Steel Co., Columbia, SC, Bradshaw a conçu et fabriqué de l'acier de construction pendant toute sa carrière. Depuis plus de 25 ans, il travaille comme ingénieur professionnel et gestionnaire dans l'industrie. Il sait quand le métal s'emboîte bien et quand ce n'est pas le cas.

"Trois facteurs influencent le coût de l'acier de construction. Le premier est le coût du matériau, le deuxième est le coût de la main-d'œuvre en atelier et le troisième est le coût de montage. Selon une règle empirique de longue date, chacun représente environ un tiers du coût global. Autrement dit, le coût d'un travail est composé d'un tiers de matériau, d'un tiers de main-d'œuvre d'atelier et d'un tiers de montage."

Bradshaw a fait cette déclaration en mars 2022 lors d'une présentation qu'il a donnée à Denver au NASCC : The Steel Conference, organisée par l'American Institute of Steel Construction (AISC). Il a ajouté que la règle fluctue dans le temps avec l'évolution des coûts des matériaux et de la main-d'œuvre. Parfois, cependant, la règle est déséquilibrée en raison de certains choix de conception effectués par l'ingénieur de référence (EOR) ou de facteurs que l'EOR a simplement négligés.

De tous les secteurs de la fabrication métallique, la charpente métallique se démarque. La chaîne d'approvisionnement de la construction est moins une chaîne qu'un réseau complexe de parties interconnectées. Un fabricant d'acier de construction peut n'être qu'un rouage dans la roue, fabriquant ce qui lui est donné, ou il peut être un communicateur actif, montrant à l'EOR (et à n'importe qui d'autre) ce qui génère réellement des coûts et des gains d'efficacité dans l'atelier de fabrication (voir les figures 1 et 2). C'est pourquoi Bradshaw, qui siège à trois comités de l'AISC, est toujours heureux d'avoir l'occasion de faire une visite de magasin. En fait, sa présentation au NASCC pourrait être considérée comme une sorte de visite virtuelle de la boutique, au cours de laquelle il a souligné divers facteurs qui dérèglent la règle empirique des coûts.

Bradshaw a souligné une poutre simple avec des connexions directes. "Dans ce cas, moins de poids équivaut vraiment à moins de coûts. C'est une simple poutre, il n'y a pas beaucoup de main-d'œuvre en atelier et ce n'est pas cher à installer sur le terrain."

Il a ensuite indiqué une poutre d'allège (poutre de rive construite le long du mur extérieur de chaque étage) avec un long bord en porte-à-faux. Sa construction légère a fière allure en isolation, mais ce poids léger nécessite également un renforcement en acier. "Vous venez de quadrupler le poids de la poutre à cause de tout l'acier d'armature que vous devez ajouter à cette poutre pour gérer le bord en porte-à-faux. Il aurait peut-être été préférable d'alourdir un peu la poutre ou d'utiliser une section tubulaire pour votre allège, ou de ne pas avoir ce long bord en porte-à-faux."

Il a ensuite souligné certains dessins d'atelier impliquant des raidisseurs et des doubleurs. Selon la conception, les colonnes plus légères peuvent nécessiter des raidisseurs et des doubleurs plus robustes, et les souder n'est pas gratuit. Dans sa présentation, il a souligné une colonne légère W14 × 159 avec un doubleur de 6 pouces et une W14 × 342 avec un ½ pouce. doubleur. Du point de vue du coût des matériaux purs, W14 × 159 semble la voie à suivre, jusqu'à ce que vous examiniez toutes les soudures requises par ces doubleurs. Le 6 pouces. les plaques de doublage sur W14 × 159 ont augmenté le volume global de soudure de 72 fois. Une grande partie de cela a à voir avec la géométrie; une soudure à pleine pénétration est essentiellement un triangle et son volume augmente de façon exponentielle avec sa taille. Avec un volume de soudure accru, il y a plusieurs passes de soudure et plus de coûts.

"Dans ce cas, il pourrait être moins coûteux d'utiliser une colonne W14 × 342 à la place de cette colonne W14 × 159", a-t-il déclaré, "surtout si vous établissez des connexions instantanées à plusieurs niveaux provenant de plusieurs directions."

Détails, ingénierie de connexion, fabrication - parfois les trois sont réalisés sous un même toit ; d'autres fois, ils sont effectués par des entreprises différentes. Quoi qu'il en soit, une communication ouverte est essentielle (voir la figure 3).

FIGURE 2. Une poutre légère peut nécessiter des renforts d'âme comme celui-ci - un autre facteur qui affecte le poids par rapport aux considérations de coût.

Certains fabricants, en particulier ceux qui disposent de nombreux équipements de poinçonnage et de perçage, sont configurés pour effectuer des travaux de boulonnage très efficacement ; d'autres soudent efficacement; certains excellent dans les deux. Bien sûr, les ingénieurs développent souvent des dessins sans savoir quel fabricant effectuera le travail. "Si vous ne savez pas si le fabricant sera configuré pour effectuer des travaux de soudage, des travaux boulonnés ou les deux, essayez d'autoriser des connexions boulonnées ou soudées."

Les connexions unilatérales fonctionnent mieux pour le monteur. "Vous ne pouvez bien sûr pas utiliser une connexion unilatérale tout le temps, mais utilisez-en autant que vous le pouvez", a-t-il déclaré. "Il y a beaucoup de recherches dans le dernier manuel de construction en acier [publié par l'AISC] non seulement sur les pattes de cisaillement standard, mais aussi sur les pattes de cisaillement étendues. [L'utilisation de ceux-ci] peut aller très loin, surtout si vous vous connectez à l'âme d'un poteau, ou si vous vous adaptez à l'âme d'une poutre qui a une semelle très large. Si vous pouvez utiliser une connexion à patte de cisaillement étendue, vous n'avez pas à vous soucier autant de faire face à la poutre. "

Il a ajouté qu'en ce qui concerne les charges de conception, les détails sont importants. Lorsqu'une exigence de charge spécifique est donnée, ce W12 a une charge de connexion minimale de 20 kips ; pour ce W14, c'est 24 kips - les ingénieurs de connexion vérifient chaque connexion par rapport à cette charge.

Parfois, cependant, les ingénieurs de connexion reçoivent simplement une liste tabulée indiquant le nombre minimum d'un type et d'une taille de boulon spécifiques. "Cela ne nous dit pas grand-chose du point de vue de la connexion", a-t-il déclaré. "Nous pouvons vous donner un W16 avec quatre boulons, mais qu'est-ce que cela signifie pour le cisaillement des blocs ? Qu'est-ce que cela signifie pour le roulement des boulons ? Qu'est-ce que cela signifie pour la flexion sur la section du filet ? Nous avons vraiment besoin d'informations de charge spécifiques sous une forme ou une autre."

"Lorsque vous considérez les tailles de soudure, considérez le type de soudure", a déclaré Bradshaw. "Nous vous demanderons de dimensionner la soudure en fonction de la demande de charge réelle ou pour répondre aux exigences du code. Il est facile d'aller sur un ensemble de plans qui disent" soudure à pleine pénétration ". Mais est-ce vraiment nécessaire ? Si c'est le cas, tant mieux. Nous sommes heureux de le faire. Mais ce n'est pas toujours nécessaire.

Les soudures à pleine pénétration nécessitent des trous d'accès à la soudure, du moins dans la plupart des cas. "Pensez à quoi ils ressembleront et si votre architecte les autorisera même à rester ouverts. De plus, ne remplissez jamais un trou d'accès de soudure avec du métal soudé une fois le joint terminé. Si vous avez un trou d'accès de soudure et que vous devez le remplir, essayez le mastic de remplissage de carrosserie. Si vous sous-traitez la peinture, laissez le peintre le faire."

La position de soudure compte aussi. Un fabricant peut positionner une soudure pour un accès facile dans l'atelier, mais pas tellement sur le terrain. Comme l'a expliqué Bradshaw, "D'après les dessins, utilisez-vous une technique de soudure à plat ? Une soudure verticale ? Ou est-ce au-dessus de la tête, ce qui est le plus difficile à réaliser ?"

Encore une fois, le volume de soudure est important, et les soudures d'angle en particulier peuvent prendre beaucoup de volume (voir Figure 4). "Dans certains cas, un fabricant peut voir les dessins qui demandent un très grand congé et demander si la soudure peut être une soudure à pénétration partielle ou même totale. Deux très grandes soudures d'angle de chaque côté de la plaque peuvent en fait avoir plus de volume de soudure qu'une soudure à pénétration totale."

Tenez également compte de la taille de la soudure que les soudeurs d'un atelier peuvent effectuer en un seul passage avec le soudage au fil. De nos jours, certains ateliers (selon l'équipement et le diamètre du fil) peuvent effectuer une soudure en un seul passage jusqu'à 5/16 po. taille de soudure. D'autres fabricants fixent ¼ po à la fois. « Quoi qu'il en soit, tout ce qui dépasse 5/16 po sera une soudure en deux passes », a déclaré Bradshaw, ajoutant que le nombre de passes augmente de façon exponentielle avec la taille de la soudure. « Une soudure de 5/8 po devient six passes, une soudure de ¾ po devient 10 passes, une soudure de 7/8 po devient 15 passes et une soudure d'angle de 1 po devient 21 passes. C'est pourquoi nous préférons faire une soudure à pénétration totale ou partielle dans certains cas.

Il a ajouté que les cellules de soudage robotisées peuvent effectuer de très grandes soudures, mais elles sont toujours limitées par la taille du fil. Et oui, le soudage à l'arc submergé (SAW) peut souder de très grands joints en une seule passe, mais toutes les soudures ne peuvent pas être conçues pour la configuration mécanisée de SAW.

FIGURE 4. Les soudures d'angle multipasses comme celles-ci peuvent nécessiter beaucoup de métal fondu, ce qui augmente les coûts du projet.

Les entrepreneurs en façade de bâtiment sont souvent les derniers à s'impliquer dans un projet. Cela peut être un défi, comme l'a expliqué Bradshaw, car une coordination précoce est essentielle pour décider comment la façade se connectera aux poutres de rive et à la dalle.

Un séquençage compliqué des travaux peut également entraîner des coûts supplémentaires. Par exemple, Bradshaw a décrit un projet qui nécessitait que les contreventements d'angle de façade soient ancrés par expansion au dessous de la dalle, contreventement qui ne pouvait être installé qu'après le coulage de la dalle. "Donc, dans ce cas, l'acier a été érigé, la dalle a été coulée et quelqu'un a dû revenir en arrière et mettre les angles."

Dans certains cas, la coordination des connexions de façade dès le départ - peut-être en déplaçant la poutre ou en modifiant la position de la dalle d'une fraction de pouce - peut conduire à une solution simple et élégante développée dans la phase de conception. Cette solution sera certainement moins coûteuse que de devoir brouiller les calendriers de fabrication et de montage pendant la phase de construction.

Bradshaw a souligné un dessin avec une connexion moment où une poutre W40 était soutenue par une poutre W30. "Dans ce cas, nous avons dû souder un WT sur le fond du W30 pour lui donner la même profondeur que le W40, pour mettre les plaques de bride en place.

"C'est un exemple extrême", a poursuivi Bradshaw, "mais pensez à l'encadrement. Nous avons vu un W24 s'encadrer dans un W12. À quoi ressemble cette section couverte ? Vous devez faire face à la moitié du W24 pour l'encadrer dans un W12. Souvent, vous devez tellement faire face à ce W24 que vous devez maintenant le renforcer ou mettre une sorte de plaque allongée sur le fond. L'essentiel : essayez de ne pas encadrer une section plus profonde dans une section beaucoup moins profonde. C'est facile à attraper. "

Dans les zones où plusieurs connexions de moment entrent dans une colonne, comme dans un cadre de moment, "il est toujours bon d'utiliser la même profondeur nominale pour les poutres de moment, de sorte que vous ne vous retrouvez pas avec plusieurs couches de raidisseurs", a déclaré Bradshaw. "Si vous pouvez garder vos poutres de moment à la même profondeur nominale de chaque côté de la colonne, cela réduit la quantité de travail nécessaire à l'installation de plusieurs couches de raidisseurs."

Le soudage d'angle des raidisseurs est généralement simple et rentable, mais ce n'est pas toujours possible si les raidisseurs sont trop proches les uns des autres. Parfois, les soudeurs finissent par effectuer des soudures à pleine pénétration sur les côtés opposés. "Cela devient compliqué", a déclaré Bradshaw, "et cela aggrave les heures nécessaires pour fabriquer une pièce."

La fabrication structurelle ne concerne pas seulement le nombre de tonnes d'acier qu'un atelier peut produire en un temps donné. Le travail joue un rôle énorme. "Nous aimons mesurer le coût en termes de nombre d'heures de travail par tonne", a déclaré Bradshaw.

L'automatisation peut réduire ces heures de travail par tonne, bien sûr, mais la clarté et la communication constante peuvent également l'être. Les documents précisent-ils la version exacte du code ? Spécifier la « dernière version » peut parfois prêter à confusion, car différents codes de différentes organisations ont des calendriers de publication variables.

Les exigences de tolérance spécifiques au projet sont-elles spécifiées ? Bien que les tolérances de fabrication courantes soient spécifiées dans la norme ANSI/AISC 303-16, Code of Standard Practice for Steel Buildings and Bridges, des tolérances supplémentaires peuvent devoir être spécifiées dans les documents de conception pour s'adapter au travail d'autres métiers, comme l'installation de la façade ou d'autres finitions architecturales.

Partout où les fabricants de structures se réunissent - au NASCC, FABTECH ou ailleurs - de nombreuses sessions couvrent les avancées technologiques, mais une bonne partie se concentre généralement sur la communication et la suppression des silos entre toutes les parties impliquées dans un projet de construction. C'est pourquoi, a déclaré Bradshaw, il accueille toujours les EOR, les dessinateurs, les monteurs, les ingénieurs de connexion (qu'Owen Steel emploie), les entrepreneurs en mécanique, les entrepreneurs en façade et toute autre personne associée à la construction de bâtiments pour venir lui rendre visite. Une fabrication structurelle efficace nécessite la diffusion des connaissances, et depuis plus de deux décennies, Bradshaw et ses collègues, tant au sein d'Owen Steel que d'autres membres de l'AISC, travaillent justement à cela.

FIGURE 3. Les ingénieurs de connexion d'Owen Steel ont conçu cette connexion d'extrémité de contreventement en interne. Que l'ingénierie de connexion soit réalisée en interne ou sous-traitée, une communication ouverte est essentielle.