Poutres de couplage et IDEA StatiCa

Les poutres de couplage sont généralement ajoutées à une structure pour améliorer sa résistance aux forces latérales. Elles relient deux éléments séparés et indépendants (comme des voiles de cisaillement) pour apporter de la rigidité à l'ensemble du système. Elles sont généralement courtes et épaisses, similaires aux poutres voiles. Dans les bâtiments en béton, en particulier, elles prennent la forme de poutres en béton, qui sont souvent l'un des éléments les plus critiques.

Figure 1. Fisher, Andrew W., et al. "Response of Heavily Reinforced High-Strength Concrete Coupling Beams." ACI Structural Journal, vol. 114, no. 6, Nov.-Dec. 2017, pp. 1483+. Gale Academic OneFile, link.gale.com/apps/doc/A558752923/AONE?u=anon~dff1dbd&sid=googleScholar&xid=6f6988a6. Accessed 1 Nov. 2022.

Les poutres de couplage jouent deux rôles dans la plupart des bâtiments. Premièrement, la poutre couple deux voiles de cisaillement pour augmenter le moment de résistance. Si vous avez deux voiles de cisaillement non couplés, la force exercée d'un côté d'un voile n'influencerait pas le second voile car ils ne sont pas reliés par des poutres à section transversale rectangulaire classique. Cela signifie que la force exercée n'affectera qu'un seul voile, ce qui pourrait provoquer un mouvement indépendant de l'autre. Cela diminue considérablement l'intégrité structurelle du bâtiment. En revanche, en couplant les deux, on réduit la contrainte attirée par chaque voile en distribuant les forces d'un voile à l'autre par le système de poutres. Les poutres de couplage distribuent également la force latérale sur la longueur du second voile, ce qui répartit davantage la traction le long de l'élément et améliore la résistance globale des éléments structurels.

Figure 2. Yang Liu, Hai Chen, Zi-Xiong Guo & Hong-Song Hu (2020) Seismic performance of subassemblies with composite wall and replaceable steel coupling beam, Journal of Asian Architecture and Building Engineering, 19:2, 123-137, DOI: 10.1080/13467581.2020.1718679

Le second rôle d'une poutre de couplage est d'agir comme source de dissipation d'énergie lors de sollicitations extrêmes. Par exemple, en cas de séisme, un bâtiment doit être résilient face aux pressions. Pour être résilient, une structure ne peut pas être trop rigide. Sinon, en cas de séisme (par exemple), ce bâtiment se briserait au niveau du trumeau et s'effondrerait. En revanche, une légère flexibilité sous des pressions extraordinaires signifie que la structure est bien plus capable de maintenir une intégrité structurelle essentielle sous pression.

Une poutre de couplage renforce donc à la fois la conception d'un bâtiment dans son ensemble et est conçue pour céder en premier afin de préserver les parties les plus vitales d'un bâtiment en cas de sollicitations extrêmes. En intégrant le mouvement d'un bâtiment dans la conception des poutres, les ingénieurs structure réalisent des structures plus stables et plus sûres.

Modèles de poutres de couplage

Le modèle peut être divisé selon le mécanisme de dissipation d'énergie en fonction du faible/fort taux de couplage. En raison du taux de ferraillage et principalement du rapport longueur/hauteur, le mécanisme de rotules plastiques se développera sur les poutres de couplage. Le modèle 1 ci-dessous présente un faible taux de couplage avec l/h >4 et peut être dimensionné selon la théorie des poutres, les rotules plastiques apparaissant aux extrémités de la poutre. Les modèles 2 et 3 ci-dessous présentent un fort taux de couplage avec l/h<2, ce qui conduit à différents mécanismes de rotules plastiques causés par l'effort de cisaillement. Les modèles ont été modélisés et soumis à une vérification normative dans IDEA StatiCa Detail et IDEA StatiCa Member.

Figure 3. Types de poutres de couplage selon le taux de couplage et le développement des rotules plastiques

Charges et optimisation topologique

Les voiles de cisaillement peuvent constituer un système structurel efficace pour résister aux charges latérales, telles que les séismes ou le vent, dans les bâtiments de grande hauteur. Les poutres de couplage qui relient ces voiles, se comportant indépendamment à chaque niveau, peuvent améliorer la capacité de résistance latérale du bâtiment et dissiper l'énergie. Les efforts internes induits par ces charges dynamiques sont principalement des efforts dans le plan. Les contraintes principales révèlent les zones les plus sollicitées de la structure et nous aident à comprendre la disposition correcte du ferraillage. L'optimisation topologique utilise la méthode Bielle-et-tirant, familière aux ingénieurs structure.

Figure 4.1. Efforts internes et optimisation topologique pour un faible taux de couplage

Figure 4.2. Efforts internes et optimisation topologique pour un fort taux de couplage

Mécanisme des rotules plastiques

Les rotules plastiques se développent en fonction du taux de couplage. Les poutres de couplage profondes avec un fort taux de couplage développent des rotules plastiques de cisaillement situées au milieu de la poutre. En revanche, une poutre avec un faible taux de couplage tire parti de la faible rigidité en flexion des poutres pour créer les rotules plastiques aux extrémités des poutres de couplage. 

Figure 5. Rotules plastiques de cisaillement et de flexion

Singularités et contraintes

L'angle vif créé à la jonction de la poutre de couplage et du voile de cisaillement génère un pic de contrainte locale qui fausse les résultats du modèle. Ce pic est causé par les singularités au niveau de l'angle rentrant vif. La question est de savoir comment traiter ces pics dans les modèles eux-mêmes. En savoir plus ici.

Vérification normative des poutres de couplage

La vérification normative, conformément au code, est la partie principale de la procédure d'analyse. Examinons ce que nous pouvons obtenir des résultats pour les poutres de couplage en béton et hybrides en utilisant IDEA StatiCa Detail et IDEA StatiCa Member.

Poutres de couplage – faible taux de couplage

En raison de son ferraillage relativement simple et de sa facilité de construction, la poutre de couplage en béton armé conventionnelle est le type de poutre de couplage le plus largement utilisé dans la conception des bâtiments. Dans les zones à faible risque sismique, les poutres de couplage en béton armé conventionnelles sont parfois dimensionnées plus larges que les voiles de cisaillement auxquels elles se raccordent dans les bâtiments à dalles plates. Cependant, la poutre de couplage en béton armé conventionnelle ne fournit pas de bonnes capacités de dissipation d'énergie sous des contraintes de cisaillement cycliques élevées, et des phénomènes de « pincement » significatifs sont présents dans sa réponse hystérétique. La rupture par cisaillement diagonal et la rupture par glissement de cisaillement ne sont pas évitables dans ce type de poutre de couplage, même avec un ferraillage transversal à espacement serré.

Figure 6. Contrainte principale en compression 

Figure 7. Contrainte dans les barres de ferraillage

 Figure 8. Contrainte d'adhérence d'ancrage dans le ferraillage

 Figure 9. Développement et direction des fissures

 Figure 10. Flèche non linéaire 

Poutres de couplage – fort taux de couplage

Les poutres de couplage en béton armé à ferraillage diagonal sont reconnues comme le type de poutre de ferraillage le plus efficace pour fournir une performance ductile avec une excellente capacité de dissipation d'énergie, notamment lorsque le rapport portée/hauteur est inférieur à deux. Bien que les poutres de couplage à ferraillage diagonal présentent une excellente rigidité et de très bonnes capacités de dissipation d'énergie ductile, certains problèmes de constructibilité limitent leur application.

Figure 11. Contrainte principale en compression 

Figure 12. Contrainte dans les barres de ferraillage

 Figure 13. Contrainte d'adhérence d'ancrage dans le ferraillage

 Figure 14. Développement et direction des fissures

Figure 15. Flèche non linéaire 

La poutre de couplage hybride

Les poutres de couplage sont difficiles et longues à réparer une fois endommagées après un séisme. Récemment, plusieurs chercheurs ont développé différents types de poutres de couplage remplaçables pouvant être réparées après séisme. L'une des principales préoccupations concernant la poutre de couplage remplaçable est d'améliorer sa capacité d'auto-recentrage afin de réduire le déplacement résiduel des structures. 

Figure 16. Modèle de poutres de couplage hybrides

Figure 17. Contrainte équivalente

Figure 18. Première forme de flambement linéaire 

Figure 19. Deuxième forme de flambement linéaire

Figure 20. GMNIA et forme déformée

Conclusion

Chaque type de poutre de couplage adopté par l'industrie présente ses propres avantages et limitations. Néanmoins, aucun type unique de poutre de couplage n'est applicable à tous les cas de conception de bâtiments. La poutre de couplage en béton armé conventionnelle est souvent la solution la plus réalisable et la plus économique lorsque la contrainte de cisaillement dans la poutre est faible et que la poutre est gouvernée par la flexion. Lorsque les rapports portée/hauteur des poutres de couplage sont faibles, des contraintes de cisaillement élevées sont attendues. Les limitations de ces types de poutres de couplage et les exigences d'ancrage associées doivent être gardées à l'esprit lors du choix d'un type de poutre de couplage approprié pour des projets spécifiques. Comme toujours, le concepteur doit prendre en compte les préférences de l'équipe de construction dans la mesure du possible, car de nombreux entrepreneurs auront des opinions variées concernant chaque méthodologie.