NBN EN 1991-1-4 · NBN EN 1993

Structure mât d'éclairage

1  Géométrie du mât

m

≤ 50 m

mm
mm
mm

2  Luminaires et crosse

kg
m²
m

3  Vent (NBN EN 1991-1-4 + ANB)

De 26 m/s au littoral à 23 m/s au sud-est : carte de la fiche CSTC/NBN.

Coefficient cscd1,13

Annexe B (normative en Belgique) : rafales et résonance du mât — fréquence propre n₁ = 0,79 Hz

4  Ancrage en pied

≥ 3, sur un cercle

mm
MPa

5  Flèche et fatigue

Pré-dimensionnement d'un mât console encastré, conique, d'épaisseur constante, selon les Eurocodes. La NBN EN 1991-1-4 renvoie les candélabres à la série EN 40 : la vérification NBN EN 40-3-3 et le marquage CE (NBN EN 40-5) restent du ressort du fabricant.

Vue schéma

MEd (pied)

142,4 kN·m

Flèche

847 mm

cscd

1,13

Classe

1

Masse

715 kg

Octogonale (8 côtés) · S355 · 26 m/s · terrain II
Schéma du mâtH = 20 m
H = 20 m⌀ 350 mm⌀ 120 mmt=6mm8 côtés
Diagrammes le long du fûtvent caractéristique
Moment fléchissant93,6 kN·m
piedtête
Déformée (flèche)846,8 mm
piedtête
Efforts en fondationELU, 1,35 G + 1,5 W

Moment

142,43

kN·m

Tranchant

12,30

kN

Normal

10,46

kN

Vérification globale

71 %taux max
Conforme

Taux d'utilisation le plus élevé parmi les 2 vérifications listées ci-dessous.

Résistance du fût — σEd (z = 0,0 m)71 %

253,7 / 355 MPa · NBN EN 1993-1-1 § 6.2

Tiges d'ancrage — traction et cisaillement65 %

Ft,Ed 209,3 / Ft,Rd 322,9 kN · NBN EN 1993-1-8 tab. 3.4

NBN EN 1991-1-4 + ANB · NBN EN 1993-1-1 · γM : valeurs recommandées de l'EN

Calculer un mât d'éclairage en Belgique : les Eurocodes et la série EN 40

Mis à jour le

Le vent est la sollicitation qui dimensionne un mât d'éclairage : il crée en pied un moment de flexion qui gouverne le fût, les tiges d'ancrage et le massif. Un mât est aussi une structure souple et peu amortie, qui entre en résonance sous les rafales : le calcul doit en tenir compte.

En Belgique, le candélabre d'éclairage public est un produit normalisé : la série NBN EN 40 fixe ses charges, sa vérification et son marquage CE, et la NBN EN 1991-1-4 lui renvoie expressément. Le cahier général des charges de Synergrid pour la fourniture de candélabres reprend ce cadre et confie au fabricant le dimensionnement des tiges de fixation.

Cet outil répond à une autre question : pré-dimensionner un mât selon les Eurocodes et leurs annexes nationales belges, pour un avant-projet, le contrôle d'une offre ou un mât de plus de 20 m, au-delà du domaine de la NBN EN 40-3-1. Il donne la section du fût, la flèche, les tiges d'ancrage et les efforts à transmettre au massif, avec la note de calcul en PDF.

La méthode de calcul pas à pas

1

Pression dynamique de pointe (NBN EN 1991-1-4 + ANB)

La vitesse de référence vb,0 se lit sur la carte de l'annexe nationale belge : 26, 25, 24 ou 23 m/s, de la côte vers le sud-est. La pression de pointe qp(z) croît avec la hauteur et dépend de la rugosité du terrain, de la catégorie 0 (bord de mer) à la catégorie IV (ville dense). L'outil la calcule tranche par tranche, avec la formule de la fiche Eurocode du CSTC et du NBN :

Pression dynamique de pointe

qp(z) = 0,625 × (1 + 7 Iv(z)) × vm(z)²

qp : pression de pointe (N/m²) · Iv : intensité de turbulence, avec le facteur kI de l'ANB · vm : vitesse moyenne, 0,19 × vb,0 × (z0/0,05)^0,07 × ln(z/z0) · z0 : rugosité du terrain

Catégorie de terrain (ANB)z₀z_min
0 — Mer ou zone côtière exposée aux vents de mer0,003 m1 m
I — Lacs, zone plate sans obstacle0,010 m1 m
II — Végétation basse, obstacles isolés (≥ 20 fois leur hauteur)0,050 m2 m
III — Villages, zones suburbaines, forêts0,300 m5 m
IV — Au moins 15 % de bâtiments de plus de 15 m1,000 m10 m
2

Coefficients de force du fût et des luminaires

Chaque tranche du fût reçoit Fw = cscd × cf × qp(ze) × Aref, avec ze le haut de la tranche. Pour un polygone, la largeur de référence est le diamètre du cercle circonscrit : 8,2 % de plus que la cote sur plats d'un octogone. Le coefficient cf,0 du tableau 7.11 dépend du nombre de côtés, de la finition des angles et du nombre de Reynolds, calculé avec la vitesse moyenne :

CôtésFinitionNombre de Reynoldsc_f,0
6toutestoutes1,60
8angles vifs (r/b < 0,075)Re ≤ 2,4·10⁵1,45
8angles vifs (r/b < 0,075)Re ≥ 3·10⁵1,30
8angles arrondis (r/b ≥ 0,075)Re ≤ 2·10⁵1,30
8angles arrondis (r/b ≥ 0,075)Re ≥ 7·10⁵1,10
10toutestoutes1,30
12lisse, angles arrondis2·10⁵ < Re < 1,2·10⁶0,90
12autres casRe < 4·10⁵1,30
12autres casRe > 4·10⁵1,10
16 à 18lisse, angles arrondisRe < 2·10⁵comme un cylindre
16 à 18lisse, angles arrondis2·10⁵ ≤ Re < 1,2·10⁶0,70

Entre deux seuils de Reynolds, le tableau ne donne pas de valeur : l'outil garde la plus forte. Pour un tube rond, la figure 7.28 donne cf,0 = 1,2 aux faibles vitesses, puis une chute en régime critique, et une remontée qui dépend de la rugosité k : 0,2 mm pour l'acier galvanisé, 0,006 mm pour une peinture fine. La réduction pour effet d'extrémité n'est pas appliquée (ψλ = 1, côté sûr). Pour les luminaires, à défaut de donnée du fabricant, l'outil propose cf = 1,8, la valeur d'un panneau plein.

3

Coefficient structural cscd (annexe B)

L'annexe nationale rend l'annexe B normative en Belgique ; l'annexe C n'y est pas d'application. Le coefficient structural combine la part quasi statique des rafales (B²) et leur part résonnante (R²), à la hauteur de référence zs = 0,6 h :

Coefficient structural

cscd =
1 + 2 kp Iv(zs) √(B² + R²)1 + 7 Iv(zs)

kp : facteur de pointe · Iv(zs) : intensité de turbulence · B² : réponse quasi statique · R² : réponse résonnante, fonction de la fréquence propre n1 et de l'amortissement δ

La fréquence propre n1 est calculée par la méthode de Rayleigh sur le fût conique, luminaires compris. L'amortissement additionne une part structurale, prise à δs = 0,012 (cheminée en acier soudé du tableau F.2, qui ne cite pas les mâts), et une part aérodynamique qui dépend de la masse du mât. Un mât de rue léger a un cscd supérieur à 1 : la résonance l'emporte sur l'effet de dimension.

4

Résistance du fût (NBN EN 1993-1-1)

Les efforts de calcul suivent la combinaison 6.10 de la NBN EN 1990 et de son ANB : 1,35 G + 1,5 W pour le fût, et 1,0 G + 1,5 W quand le poids soulage, comme pour la tige d'ancrage la plus tendue. Chaque section du fût est vérifiée, pas seulement le pied :

Contrainte de calcul

N_EdA
+
M_EdW_el
≤
f_yγ_M0

NEd : poids au-dessus de la section · MEd : moment du vent et des luminaires sur la crosse · A, Wel : section brute ou efficace · γM0 = 1,0, valeur recommandée de l'EN

La classe de section vient du tableau 5.2 : d/t ≤ 90 ε² pour un tube, c/t ≤ 42 ε pour la facette la plus comprimée d'un polygone. Au-delà, la paroi est de classe 4 et voile avant de plastifier : la résistance est réduite, comme expliqué plus bas.

5

Flèche, tiges d'ancrage et massif

La flèche en tête s'obtient en intégrant deux fois la courbure M/EI le long du fût, sous le vent caractéristique. Les tiges sont vérifiées en traction et en cisaillement selon le tableau 3.4 de la NBN EN 1993-1-8, sur la section résistante du filetage ; leur longueur d'ancrage suit la NBN EN 1992-1-1. Les efforts en pied sont donnés au bureau d'études qui justifie le massif selon la NBN EN 1997-1.

Exemple chiffré : mât de rue octogonal de 8 m, zone 26 m/s

Fût octogonal 180/90 mm, paroi de 3 mm en S235, un luminaire de 15 kg et 0,15 m² sur une crosse de 0,5 m, terrain de catégorie II. Les valeurs ci-dessous sont celles que l'outil calcule.

GrandeurValeur
Pression de pointe en tête q_p(8 m)0,932 kN/m²
Coefficient de force en pied (octogone à angles vifs)1,45
Fréquence propre n₁2,22 Hz
Coefficient structural c_sc_d1,20
Moment de calcul en pied M_Ed12,4 kN·m
Contrainte en pied / résistance166 / 235 MPa (71 %)
Flèche en tête sous vent caractéristique143 mm (H/56)

Voilement local : quand la paroi ne compte pas en entier

Un mât est un tube à paroi mince : 3 à 6 mm pour 150 à 600 mm de diamètre. Sous la flexion, la paroi comprimée peut onduler avant que l'acier n'atteigne sa limite d'élasticité. C'est le voilement local, et c'est la classe 4 de la NBN EN 1993-1-1.

Un mât polygonal est un assemblage de facettes planes. Chacune est traitée comme une plaque appuyée sur ses deux plis, selon la NBN EN 1993-1-5. La facette la plus comprimée l'est presque uniformément sur sa largeur : son coefficient de voilement vaut kσ = 4. Si son élancement dépasse 0,673, sa largeur efficace est réduite par ρ :

Largeur efficace d'une facette

λ̄p =
c / t28,4 · ε · √kσ
,   ρ =
λ̄p − 0,22λ̄p²

c : largeur de la facette, D × tan(π/n) · t : épaisseur · ε = √(235/fy) · kσ = 4 (compression uniforme)

Sectionc/tλ̄pρ
Octogonale 300 × 3 mm, S355410,8960,84
Octogonale 500 × 4 mm, S355521,1200,72
Hexagonale 250 × 3 mm, S235480,8470,87

L'outil applique ρ à toute la section, côté tendu compris : c'est plus sévère que la norme, qui ne réduit que les parois comprimées.

Un mât rond de classe 4 (d/t > 90 ε², soit d/t > 60 en S355) est une coque. La NBN EN 1993-1-6 compare sa contrainte de compression à une résistance au voilement réduite par χx. Ce coefficient dépend de la qualité de fabrication : classes A, B ou C, de la plus soignée à la plus courante. Le coefficient partiel recommandé est γM1 = 1,1. Le fût est traité comme un cylindre long, avec le facteur Cx = 0,60 de l'annexe D.

Comment ce calcul est vérifié

Le moteur est couvert par une suite de tests automatisés, adossés à des références extérieures plutôt qu'à ses propres résultats.

  • La pression du vent est celle de l'annexe nationale belge. La formule de la fiche Eurocode du CSTC et du NBN est réécrite indépendamment du moteur. Elle donne les mêmes pressions pour les quatre zones de vent et les cinq catégories de terrain.
  • Les coefficients de force sont ceux de la norme. Le tableau des sections polygonales et la courbe des cylindres sont repris dans les tests, sur toute la plage utile de vitesses et pour quatre rugosités. Pour un cylindre lisse de 1 m, l'outil donne 0,557 là où la lecture de la figure donne 0,55.
  • Le coefficient structural est recalé sur un exemple publié. L'exemple chiffré du guide européen « Steel Buildings in Europe » (cscd = 0,773) est refait étape par étape. L'écart final est de 0,09 %.
  • La fréquence propre est comparée aux solutions exactes de la poutre console. L'écart est de 0,4 % pour un tube droit, de 0,2 % avec une masse en tête, et de 1,5 % avec la formule des cheminées en acier de la NBN EN 1991-1-4.
  • Les résistances suivent les formules des normes, réécrites à part. Classes de section, largeur efficace des facettes, voilement des tubes minces et résistance des tiges sont recalculés hors du moteur. Une tige M30 de classe 8.8 résiste à 323 kN en traction, et les sections de filetage sont celles des tables du commerce.
  • Une saisie incomplète ne produit jamais de résultat. Champ vide, valeur négative, sommet plus large que la base ou hauteur au-delà de 50 m : l'outil s'abstient. Un calcul enregistré avec une zone de vent française se rouvre sur 26 m/s, la zone belge la plus sévère.

Références

  • NBN EN 1991-1-4:2005 + A1:2010 et NBN EN 1991-1-4-ANB:2010 — Eurocode 1, actions du vent : coefficient structural (§ 6.3 et annexe B), sections polygonales (§ 7.8, tableau 7.11), cylindres (§ 7.9.2, figure 7.28, rugosités du tableau 7.13), caractéristiques dynamiques (annexe F). Le § 1.1 (11) renvoie les candélabres à l'EN 40. Vitesses de référence, catégories de terrain et facteur de turbulence de l'ANB lus dans la fiche Eurocode EN 1991-1-4 du CSTC et du NBN (avril 2012), qui rend les annexes A, B, E et F normatives en Belgique.
  • NBN EN 1990:2002 + A1:2006 et NBN EN 1990-ANB:2013 — combinaison 6.10 et coefficients partiels des actions, d'après la fiche Eurocode EN 1990 du CSTC et du NBN (août 2014).
  • NBN EN 1993-1-1:2005 + A1:2014 et NBN EN 1993-1-1-ANB:2010 — classes de section (tableau 5.2) et résistance des sections (§ 6.2). Les coefficients γM sont les valeurs recommandées de l'EN : l'annexe nationale belge n'est pas en accès libre.
  • NBN EN 1993-1-5, NBN EN 1993-1-6, NBN EN 1993-1-8 et NBN EN 1993-1-9 — largeur efficace des plaques (§ 4.4), voilement des coques cylindriques (§ 8.5 et annexe D), résistance des boulons et tiges (tableau 3.4), fatigue (tableau 3.1).
  • NBN EN 1992-1-1 + ANB — adhérence et longueur d'ancrage (§ 8.4), avec γc = 1,5 et αct = 1,0 de l'annexe belge repris par le Condensé de l'Eurocode 2 (Febelcem, mai 2017).
  • NBN EN 40-3-1, NBN EN 40-3-3 et NBN EN 40-5 — candélabres d'éclairage public : charges, vérification par le calcul, exigences des mâts en acier et marquage CE. L'édition 2013 de l'EN 40-3-1 vise les candélabres de 20 m de hauteur nominale au plus, crosse comprise. Valeurs non reproduites ici : la norme est payante.
  • Synergrid C4/12, cahier général des charges 005, partie III (décembre 2007) — prescriptions pour la fourniture de candélabres d'éclairage public : vérification selon les NBN EN 40-3-1 et 40-3-3, tiges de fixation dimensionnées par le fabricant.
  • Steel Buildings in Europe — Multi-Storey Steel Buildings, Part 3: Actions — annexe A : exemple chiffré du coefficient structural selon l'annexe B de l'EN 1991-1-4.

Questions fréquentes

Les candélabres d'éclairage public relèvent de la série NBN EN 40 : la partie 3-1 fixe les charges, la partie 3-3 la vérification par le calcul et la partie 5 les exigences des mâts en acier et leur marquage CE. L'édition 2013 de l'EN 40-3-1 vise les candélabres de 20 m de hauteur nominale au plus, crosse comprise. La NBN EN 1991-1-4 renvoie elle-même les candélabres à l'EN 40. Cet outil fait un pré-dimensionnement selon les Eurocodes : il ne remplace pas la vérification EN 40 du fabricant.

L'annexe nationale belge de la NBN EN 1991-1-4 découpe le pays en quatre zones : 26, 25, 24 et 23 m/s, de la côte vers le sud-est. La pression de pointe dépend ensuite de la hauteur et de la rugosité du terrain : en zone 26 m/s, terrain de catégorie II, elle vaut 0,99 kN/m² à 10 m. Sans carte sous la main, l'outil retient 26 m/s, la valeur la plus sévère.

Il corrige la pression du vent pour la taille et la souplesse du mât. Le facteur de dimension cs tient compte de ce que les rafales ne frappent pas tout le fût en même temps. Le facteur dynamique cd tient compte de la résonance d'un mât souple et peu amorti. En Belgique, l'annexe B de la NBN EN 1991-1-4 est normative pour ce calcul. Pour le mât de rue de 8 m de l'exemple, cscd vaut 1,20 : la résonance l'emporte sur l'effet de dimension.

Pour un polygone, le tableau 7.11 de la NBN EN 1991-1-4 donne 1,60 à l'hexagone, 1,45 puis 1,30 à l'octogone à angles vifs selon le nombre de Reynolds, et 1,30 au décagone. La surface de référence se calcule sur le cercle circonscrit, pas sur la cote sur plats. Pour un tube rond, la figure 7.28 donne 1,2 aux faibles vitesses, puis une chute en régime critique qui dépend de la rugosité : une surface galvanisée garde un coefficient plus élevé qu'une peinture lisse.

Les Eurocodes ne fixent pas de flèche admissible pour un mât : c'est un critère de projet. Pour un candélabre, la série EN 40 définit des classes de déformation que le cahier des charges choisit. L'outil calcule la flèche en tête sous le vent caractéristique et la compare au rapport que vous retenez (H/20 à H/100), ou la donne seulement pour information.

La traction de la tige la plus tendue vient du moment en pied réparti sur le cercle des tiges, diminué du poids. L'outil la calcule avec le poids défavorable (1,35 G) et favorable (1,0 G) et garde le cas le plus chargé. Elle est comparée à la résistance de la NBN EN 1993-1-8, sur la section résistante du filetage. La longueur d'ancrage d'une tige à haute adhérence suit la NBN EN 1992-1-1 et son annexe belge.

Sous la flexion, la paroi comprimée d'un tube mince peut onduler avant que l'acier n'atteigne sa limite d'élasticité. Au-delà d'un certain élancement de paroi (classe 4), la résistance doit être réduite. Pour un polygone, chaque facette est traitée comme une plaque selon la NBN EN 1993-1-5. Pour un tube rond, la NBN EN 1993-1-6 donne une résistance au voilement qui dépend de la qualité de fabrication, avec un coefficient partiel de 1,1.