Assemblages de contreventement et IDEA StatiCa

Cet article fait suite à celui consacré aux fermes rédigé par mon collègue – Ralph Pullinger. Tout d'abord, la question fondamentale est – quelle est la différence entre un contreventement et une ferme ? Il y a un léger chevauchement entre ces sujets, comme vous pouvez l'imaginer. 

En substance, un contreventement est un élément unique qui supporte, renforce ou consolide quelque chose, tandis qu'une ferme est généralement une partie entière de la structure formée de nombreux éléments. En d'autres termes, le contreventement peut faire partie d'une structure en ferme. Bien entendu, certains systèmes de fermes nécessitent des contreventements pour être complets – notamment dans le secteur du logement. Même certains éléments au sein de fermes jouent le rôle de contreventements.

Mais où les trouve-t-on, et le système de contreventement est-il utilisé uniquement dans les structures en acier ? Pas du tout. On les trouve généralement dans les bâtiments à ossature acier ainsi que dans les bâtiments à ossature bois. Moins fréquemment dans une ossature béton, sauf pour des raisons spécifiques, telles qu'une réhabilitation ou un renforcement.

Systèmes de contreventement utilisés dans les structures en acier

Dans les systèmes structurels en acier, un contreventement est généralement défini comme reprenant uniquement un effort axial (soit en compression, soit en traction). Si un contreventement devait reprendre un moment, il devrait alors être défini comme une poutre ou un poteau. Les contreventements ne sont pas limités aux axes horizontal ou vertical. Ils sont également utilisés dans des plans inclinés (comme un plan de toiture). Les contreventements transmettent invariablement des actions. Principalement, ils visent à transmettre les charges horizontales, telles que le vent, vers un mécanisme de reprise – généralement les fondations.

Les contreventements peuvent prendre la forme de câbles, de plats, de cornières, de tiges, de sections creuses, voire de profilés en I. Ils ont traditionnellement toujours été conçus pour être dissimulés, mais il existe également plusieurs exemples où ils sont exposés et mis en valeur.

Un bel exemple de symbiose entre architecture et ingénierie structurelle, révélant les contreventements et les détails de leurs assemblages en façade, peut être trouvé en Espagne dans le bâtiment aujourd'hui connu sous le nom d'Hotel Arts Barcelona. Ici, les assemblages acier sont presque à portée de main et peuvent être observés par les clients de l'hôtel. Découvrez comment nous avons réalisé ce calcul de dimensionnement de contreventement lors de l'un de nos webinaires.

À l'époque de la 2D (analogique et numérique), et en raison du plan dans lequel ils opèrent, les contreventements étaient également souvent oubliés jusqu'à ce qu'on les remarque passant devant une fenêtre (involontairement) ou bloquant l'accès à une porte. Combien s'en souviennent ?

Aujourd'hui, avec l'avènement du BIM, ces problèmes de coordination ont pratiquement disparu (espérons-le). L'adoption de la Méthode des Éléments Finis a également permis une utilisation plus efficace des matériaux, et des méthodes d'analyse plus rigoureuses permettent aux ingénieurs de positionner les systèmes de contreventement là où ils seront plus efficaces.

Dans sa forme la plus simple, un contreventement est un élément qui relie un point à un autre. Il peut s'agir d'un contreventement unique ou faire partie d'un système de contreventement plus large formant un motif. Bien entendu, il existe une grande variété de systèmes de contreventement utilisés dans les structures, des contreventements en X classiquement utilisés aux systèmes avancés respectant les exigences architecturales.

La formation et l'expérience d'un ingénieur le guident généralement vers des positions et des formes de contreventement appropriées. Cela peut être affiné par l'analyse. C'est au cours de cette analyse que des effets supplémentaires, tels que les excentricités, sont supposés négligeables. Comme je le maintiens toujours – un ingénieur aime garder les choses simples.

Dans l'analyse structurelle globale (portiques 2D ou 3D), on voit des poutres, des poteaux et des contreventements se rejoindre en un seul nœud. En réalité, cela ne peut pas être le cas car il y a toujours une certaine excentricité. Cela peut également être modélisé en MEF et en BIM afin que ces effets soient pris en compte – généralement, un léger décalage vers le haut/bas ou la gauche/droite suffira.

Lisez l'article de Jan Kubicek sur les excentricités structurelles et leurs problèmes – Et si ça ne va pas dans la bonne direction ?

Types d'assemblages de contreventement dans les structures en acier

Nous disposons maintenant d'une série de contreventements capables de reprendre la charge de calcul – comment les connectons-nous à la structure principale ? C'est là qu'intervient l'art des dessinateurs et leur savoir-faire. Quelles sont les limites ici ? En termes simples, combien de types d'assemblages dans les structures en acier le dessinateur a-t-il stockés dans son hippocampe, bien sûr sa créativité, mais aussi quelles sont les limitations des outils logiciels utilisés ?

Il existe de nombreux exemples de dispositions types permettant d'accomplir cette tâche. La plupart ne se distinguent pas, mais certains si. L'exemple ci-dessous est tiré de l'étude de cas et du webinaire Assemblages de façade à l'hôpital Midland Metropolitan.

Le client souhaitait mettre en valeur le système de contreventement et a utilisé IDEA StatiCa pour créer un assemblage à la fois fonctionnel et esthétique.

Ce serait un excellent exemple de la façon dont IDEA StatiCa pourrait utiliser à la fois un modèle géométrique (BIM) provenant par exemple de Tekla Structures pour obtenir le positionnement des éléments et les formes des différentes plaques, en utilisant les effets de charge via la MEF provenant par exemple de SCIA Engineer (d'autres solutions CAO et MEF sont disponibles😊). Mais hey, c'est vraiment possible !

Détails des assemblages de contreventement dans IDEA StatiCa

L'application de dimensionnement et de vérification normative des assemblages IDEA StatiCa Connection est, bien entendu, entièrement capable de gérer tout type de géométrie et de chargement, en commençant par des assemblages simples comme pour le système de contreventement en V classique. Le point fort ici par rapport aux feuilles de calcul Excel est la génération rapide de la forme du détail, la possibilité d'une optimisation rapide, un contrôle visuel complet, et surtout, l'analyse de flambement !

En savoir plus sur le flambement pour les assemblages de contreventement et au-delà dans l'article Le flambement nécessite une réflexion approfondie ! de l'auteure Jana Kaderova.

En plus des assemblages standard, notre application a également démontré ses capacités face à des assemblages de niveau expert. C'est là qu'intervient le cas où l'architecte réalise ses rêves les plus fous, et où l'ingénieur structure vit un cauchemar. Ces anneaux centraux de contreventement en X sont utilisés dans de nombreuses variantes, des modèles standardisés fabriqués et testés aux modèles entièrement personnalisés nécessitant d'être entièrement analysés et soumis à une vérification normative.

Dans la catégorie des contreventements, nous voyons également l'une des raisons fréquentes des messages adressés à notre service d'assistance. Les exemples ci-dessus montrent également un assemblage à boulon unique reliant le contreventement à la structure. Ainsi, cet élément ne peut reprendre aucun moment, mais uniquement un effort normal et des efforts de cisaillement.

Dans le logiciel d'assemblage acier IDEA StatiCa Connection, le paramètre de l'élément de contreventement appelé Type de modèle doit être modifié de la valeur par défaut N-Vy-Vz-Mx-My-Mz à N-Vy-Vz (sans moments). Sinon, une singularité se produira en raison du mécanisme formé autour du boulon.

Une solution très vérifiée

Il y a quelques jours, dans le cadre de mes fonctions au service d'assistance, je résolvais un problème avec un assemblage standard/non standard. Cela dépend du point de vue. Le modèle d'assemblage était un assemblage en K entièrement soudé de sections creuses rectangulaires (RHS), et le client discutait de la capacité portante inférieure de cet assemblage de contreventement calculée dans l'application Connection par rapport aux calculs manuels.

Dans cette partie de l'histoire, il est important de souligner que la solution basée sur le CBFEM dans le logiciel est entièrement vérifiée à plusieurs niveaux, notamment par des essais en laboratoire et de nombreux exemples utilisés. Néanmoins, nous avons réagi par une inspection approfondie du problème et en fournissant un modèle éléments finis indépendant composé d'éléments solides 3D avec un comportement élastoplastique géométriquement non linéaire dans le logiciel midas FEA NX.

Les hypothèses pour les deux modèles :

• Acier S355 – diagramme bilinéaire avec écrouissage
• Analyse non linéaire géométrique et matérielle

En général, les calculs manuels fournis par la norme ont tendance à être plutôt conservateurs. Dans ce cas précis, c'est l'inverse, et la solution éléments finis doublement vérifiée fournissant un modèle précis affiche simplement une capacité inférieure d'environ 20 % dans les deux modèles numériques par rapport aux calculs manuels. En conclusion, cela est dû aux déformations spatiales et au poinçonnement de la poutre principale.

Par ailleurs, dans notre Centre de support, parmi la liste des articles de vérification et de recherche, certains traitent exclusivement des contreventements.

L'un d'eux, Sections creuses rectangulaires, inclut également l'exemple même de l'assemblage en K soudé dimensionné selon l'Eurocode. Ce travail présente les résultats de recherche comparant les résultats de l'application Connection à la méthode traditionnelle, en d'autres termes, la résistance déterminée par CBFEM par rapport à la méthode analytique pour l'assemblage en K de SHS uniplan.

Pour le code américain AISC, quelques exemples de vérification ont été préparés par Mahamid Mustafa dans le cadre d'un projet commun entre l'Université de l'Illinois à Chicago et IDEA StatiCa. Le texte Assemblage de contreventement en chevron dans un portique contreventé (AISC), ainsi que les autres, révèle très bien le concept sûr mais efficace de la méthode CBFEM.

La fin ?

Merci d'avoir pris le temps de lire cet article, et nous espérons vous revoir bientôt sur le blog IDEA StatiCa !

PS : Un quiz bonus 😊. Essayez de compter combien de contreventements en acier vous pouvez trouver dans notre galerie de projets exemples !

3,2,1,...

... très bien, voici la liste filtrée complète disponible en téléchargement, pour inspection et utilisation gratuite.