La platine de base est-elle suffisamment rigide ?

Pourquoi les fixations sont-elles si importantes ?

Les fixations jouent un rôle crucial dans l'intégrité et la sécurité des éléments structurels et non structurels. C'est pourquoi des normes dédiées, telles que l'EN1992-4, ont été développées. Elles traitent des problématiques liées aux assemblages acier-béton et fournissent une méthode de calcul fiable garantissant une transmission sûre des charges entre les éléments en acier et en béton. L'EN1992-4 couvre différents types d'éléments de fixation (goujons à tête coulés en place, éléments de fixation mécaniques et collés ancrages post-installés), ainsi que différentes catégories d'actions.

Le dimensionnement des fixations pour utilisation dans le béton

Le dimensionnement des fixations dans le béton, selon l'EN1992-4, pour les chargements statiques/quasi-statiques implique plusieurs vérifications normatives :

Fig. 1  Vérifications normatives pour les éléments de fixation en traction

Fig. 2 Vérifications normatives pour les éléments de fixation en cisaillement

Fig. 3 Vérifications normatives pour tenir compte de l'interaction des charges de traction et de cisaillement

Le processus de dimensionnement, tel que décrit dans la norme (Fig.  1 - Fig.  3), nécessite une approche détaillée pour s'assurer que toutes les vérifications normatives pertinentes sont satisfaites. Chaque type d'élément de fixation requiert des considérations spécifiques. Par exemple, les ancrages mécaniques reposent sur un verrouillage mécanique, tandis que les ancrages collés dépendent des propriétés adhésives du matériau de collage. Le processus de dimensionnement doit tenir compte de ces différences pour garantir un assemblage fiable.

Examinons de plus près l'une de ces vérifications normatives. Nous prendrons comme exemple la résistance caractéristique de l'élément de fixation, ou d'un groupe d'éléments de fixation dans le cas d'une rupture du béton par cône (Fig.  4), qui illustre la sophistication du modèle de calcul :

Fig.  4 La résistance caractéristique de l'élément de fixation, ou d'un groupe d'éléments de fixation dans le cas d'une rupture du béton par cône

L'équation comprend quatre facteurs permettant de prendre en compte des effets tels que l'écaillage de la surface, la perturbation de la distribution des contraintes, la présence d'armature complémentaire, et d'autres. Cela révèle que non seulement les propriétés des matériaux de construction (acier, béton), mais aussi d'autres facteurs, comme la géométrie du bloc de béton, la disposition des ancrages, la profondeur d'encastrement, l'armature complémentaire, etc., influencent la résistance finale, c'est-à-dire le mode de rupture déterminant pour la combinaison de charges donnée. Cela démontre que le dimensionnement des assemblages acier-béton peut être assez fastidieux et complexe lorsqu'il est effectué manuellement, car il implique de nombreux calculs et itérations pour optimiser le dimensionnement.

IDEA StatiCa Connection permet à l'utilisateur de dimensionner des assemblages acier-béton à l'aide d'éléments de fixation mécaniques ancrages post-installés ou d'ancrages coulés en place avec rondelles. Selon le type d'ancrage, de nombreuses vérifications normatives doivent être calculées. La plupart des vérifications normatives listées aux Fig.  1 - Fig.  3 sont calculées dans IDEA StatiCa Connection sur la base des données saisies par l'utilisateur et des paramètres indiqués dans la norme. Certaines d'entre elles ne sont pas fournies car elles nécessitent des facteurs spécifiques au produit, basés sur des essais réalisés selon un protocole normalisé et évalués conformément aux spécifications techniques harmonisées applicables. Ces facteurs peuvent être trouvés dans les agréments techniques tels que l'Évaluation Technique Européenne (ETE). Outre les facteurs requis pour le calcul de la résistance de calcul, d'autres caractéristiques importantes sont incluses dans l'agrément, comme la distance minimale au bord c_min, l'espacement minimal entre ancrages s_min, la hauteur minimale du bloc de béton h_min, les coefficients de sécurité, et plus encore. Les informations sur les vérifications normatives non fournies sont décrites dans l'onglet des résultats comme indiqué à la Fig.  5.

Fig.  5 Liste des vérifications normatives nécessitant des caractéristiques spécifiques au produit

La rigidité de la platine de base en acier

Outre la liste des vérifications normatives requises, la norme spécifie des règles supplémentaires qui doivent être respectées. Parmi elles figurent les règles pour la détermination des efforts agissant sur les éléments de fixation. Lorsqu'un moment fléchissant et/ou un effort de traction agit sur une platine d'appui, comme dans un assemblage acier-acier, des efforts de levier peuvent apparaître. Ces efforts doivent être pris en compte dans le dimensionnement de la platine de base, car cela entraîne des efforts de traction plus élevés dans les ancrages. Cette exigence est décrite au paragraphe 6.1 (4) et illustrée à la Fig. 6.1 b de l'EN1992-4 :

Fig.  6 Paragraphe 6.1 (4) de l'EN1992-4

Fig.  7 Amplification des efforts de traction agissant sur un élément de fixation en raison des efforts de levier C_pr

La norme donne des indications sur la façon de calculer les charges de traction de calcul agissant sur un élément de fixation, à condition que la platine d'appui soit suffisamment rigide, ce qui signifie qu'une hypothèse de distribution linéaire des déformations est valide (comme dans la théorie des poutres). Cependant, si les exigences énoncées au paragraphe 6.2.1 ne sont pas satisfaites, le comportement en déformation élastique de la platine de base en acier est pris en compte. Cet effet est pris en considération dans IDEA StatiCa Connection, car le calcul utilisant la méthode CBFEM permet de capturer le comportement en flexion de la platine de base, incluant la rigidité du profil attaché, des soudures et du massif de fondation (modélisé à l'aide du modèle de sol de Winkler). Dans la section suivante, nous examinerons de plus près l'influence de l'épaisseur de la platine sur les efforts de traction résultants dans les ancrages, les contraintes équivalentes dans le poteau et les contraintes de compression dans le bloc de béton.

Quelques exemples dans IDEA StatiCa

Examinons quelques exemples que j'ai préparés à l'aide d'IDEA StatiCa

Ici, la disposition des ancrages (deux rangées de trois ancrages), la profondeur d'encastrement, les dimensions du bloc de béton, ainsi que les propriétés des matériaux, restent identiques pour les deux cas étudiés. Ce qui sera ajusté, c'est l'épaisseur de la platine de base (10, 20 et 30 mm), ainsi que les effets de charge appliqués – pour le cas n° 1, il s'agit d'un effort de traction où N = 100 kN, et pour le cas n° 2, il s'agit d'un effort de compression où N = -100 kN. Ces hypothèses nous permettront de vérifier facilement l'influence des paramètres sur les résultats, c'est-à-dire les efforts axiaux des éléments de fixation, la contrainte équivalente dans le poteau et la contrainte de compression dans le béton. Le modèle est présenté à la Fig. 8 ci-dessous.

Fig.  8 Modèle dans IDEA StatiCa Connection

Commençons par le cas n° 1, voici les résultats pour les exemples étudiés :

Fig.  9 Cas n° 1, épaisseur de la platine de base = 10 mm, contraintes équivalentes

Fig.  10 Cas n° 1, épaisseur de la platine de base = 10 mm, efforts de traction dans les ancrages

Fig.  11 Cas n° 1, épaisseur de la platine de base = 20 mm, contraintes équivalentes

Fig.  12 Cas n° 1, épaisseur de la platine de base = 20 mm, efforts de traction dans les ancrages

Fig.  13 Cas n° 1, épaisseur de la platine de base = 30 mm, contraintes équivalentes

Fig.  14 Cas n° 1, épaisseur de la platine de base = 30 mm, efforts de traction dans les ancrages

Tab. 1 Récapitulatif des résultats pour le cas n° 1 (N = 100 kN)

Comme prévu, en augmentant l'épaisseur de la platine, les efforts de levier diminuent ; avec t_fix = 30 mm, aucun effort de levier n'est présent et la charge est uniformément répartie entre tous les ancrages du groupe. En comparant les efforts pour les ancrages les plus sollicités du groupe, il existe une différence de 67 % entre une platine de base élastique (t_fix = 10 mm, N_Ed,1 = 27,9 kN) et une platine de base rigide (t_fix = 30 mm, N_Ed,1 = 16,7 kN). La prise en compte du comportement en flexion de la platine de base en acier affecte également la distribution des contraintes dans les platines attachées ainsi que dans les soudures reliant les éléments. Cela montre l'importance de la vérification de la rigidité de la platine de base dans le processus de dimensionnement.

Les résultats pour le cas n° 2 montrent l'influence de l'épaisseur de la platine sur la distribution des contraintes de compression dans le béton :

Cas n° 2, épaisseur de la platine de base = 10 mm, contraintes équivalentes, contrainte dans le béton

Fig.  16 Cas n° 2, épaisseur de la platine de base = 20 mm, contraintes équivalentes, contrainte dans le béton

Fig.  17 Cas n° 2, épaisseur de la platine de base = 30 mm, contraintes équivalentes, contrainte dans le béton

Tab. 2 Récapitulatif des résultats pour le cas n° 2 (N = -100 kN)

On peut noter qu'avec l'augmentation de l'épaisseur, la contrainte est distribuée de manière plus uniforme, ce qui réduit en conséquence la contrainte de compression maximale dans le béton.

En résumé

Avec IDEA StatiCa Connection, l'utilisateur peut modéliser avec précision le comportement en flexion de la platine de base en acier et vérifier son impact sur l'assemblage modélisé. Le logiciel utilise la méthode CBFEM pour simuler la déformation de la platine de base sous les effets de charge donnés. Cela permet aux ingénieurs de visualiser la distribution des efforts et d'identifier les problèmes potentiels liés au comportement élastique de la platine de base en acier, ou de confirmer la validité de l'hypothèse d'une distribution linéaire des déformations énoncée dans l'EN1992-4. Il s'agit d'une partie cruciale du processus de dimensionnement des assemblages acier-béton, car même des platines de base relativement épaisses peuvent ne pas satisfaire aux exigences d'une platine de base rigide, et omettre cette vérification pourrait conduire à une sous-estimation des efforts de traction dans les ancrages, comme le montrent les exemples ci-dessus.

…une dernière chose

Dans la dernière version de notre logiciel, la Version 24.0, une version bêta d'un lien direct entre IDEA StatiCa Connection et Detail a été implémentée. Cela permet la vérification des semelles en béton armé (ELU) à l'aide de Detail 3D (basé sur la méthode CSFM). Dans notre centre de support, vous pouvez trouver un tutoriel pas à pas expliquant comment échanger les données entre les deux programmes, ainsi que comment lancer le calcul dans notre application Detail.

Fig. 18 Lien BIM entre IDEA StatiCa Connection et Detail (version bêta)

Quelques ressources supplémentaires

Vous pouvez en lire davantage sur le sujet ici :

Vérification normative des ancrages (EN)

Import de l'ancrage de Connection vers Detail (BÊTA)

IDEA StatiCa Detail – Dimensionnement structurel des discontinuités 3D en béton | IDEA StatiCa

Si vous souhaitez en savoir plus sur la dernière version, consultez les notes de version pour tous les détails. 

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