Construction moderne vs. ouvertures dans les poutres
Ces gaines et canalisations sont généralement placées sous le sofit de la poutre et, pour des raisons esthétiques, sont dissimulées par un faux plafond, créant ainsi un espace mort. À chaque étage, la hauteur de cet espace mort s'ajoute à la hauteur totale du bâtiment en fonction du nombre et de la profondeur des gaines.
Ainsi, les ouvertures dans l'âme permettent au concepteur de réduire la hauteur de la structure, notamment dans le cas de la construction de bâtiments de grande hauteur. En d'autres termes, cela conduit à une conception économique efficace.
Concentration de contraintes
La concentration de contraintes est observée au voisinage des irrégularités géométriques telles qu'un changement brusque de section ou des ouvertures. On les appelle généralement des entailles. Les entailles créent une augmentation locale de la contrainte nominale. Il en résulte un flux de contraintes non uniforme le long de la section transversale. Le rapport entre la contrainte maximale et la contrainte nominale est appelé facteur de concentration de contraintes. Ce facteur dépend de la position de la charge et de la géométrie de l'entaille. Les valeurs étaient généralement déterminées expérimentalement. Aujourd'hui, on utilise l'analyse par éléments finis pour déterminer le facteur de concentration de contraintes.
Petites vs. grandes ouvertures dans les poutres
Petites ouvertures
Les ouvertures sont classées en petites ou grandes et la meilleure position de l'ouverture est déterminée en fonction de sa taille. Les ouvertures dans l'âme peuvent prendre diverses formes telles que circulaire, rectangulaire, en losange, triangulaire, trapézoïdale, voire des formes irrégulières. Cependant, les ouvertures circulaires et rectangulaires sont les plus courantes.
Les ouvertures peuvent être considérées comme grandes lorsque leur diamètre dépasse 0,25 fois la hauteur de l'âme. Lorsque l'ouverture est suffisamment petite pour maintenir un comportement de type poutre (autrement dit, si la théorie classique des poutres s'applique), l'ouverture peut être qualifiée de petite.
Si le mécanisme de reprise des charges en flexion pure de la poutre n'est pas modifié par l'ouverture, la flexion à l'état limite ultime n'est pas influencée.
Contrainte principale dans le béton et contrainte dans les armatures pour une ouverture au milieu de la travée
D'après la théorie de l'élasticité, la contrainte de cisaillement maximale est atteinte au voisinage du centre de la section transversale. Grâce à la résolution non linéaire, le CSFM (Méthode du Champ de Contraintes Compatible) permet d'observer la redistribution des contraintes vers la zone où l'énergie disponible pour le transfert des charges est suffisante. Cela signifie que les ouvertures au voisinage de l'appui affectent davantage la capacité portante que les ouvertures au milieu de la travée où le moment fléchissant maximal est appliqué.
Contrainte principale dans le béton et contrainte dans les armatures pour trois ouvertures dans les sections critiques en flexion et en cisaillement
Grandes ouvertures
La présence de grandes ouvertures dans les poutres en béton armé nécessite une attention particulière lors des phases d'analyse et de conception en raison de la réduction de la résistance et de la rigidité de la poutre et de la fissuration excessive au niveau de l'ouverture due à la forte concentration de contraintes. En pratique, les ouvertures sont situées près des appuis où le cisaillement est prédominant.
Les expériences ont montré qu'une poutre avec un ferraillage insuffisant et un détaillage inadapté autour de la zone d'ouverture se rompt prématurément de manière fragile. Le mécanisme de rupture consiste clairement en quatre rotules plastiques, une à chaque extrémité des membrures supérieure et inférieure.
Les observations expérimentales du mode de rupture final ont permis de développer une méthode d'analyse pour prédire la résistance ultime d'une poutre comportant une grande ouverture rectangulaire. Elle est basée sur l'analyse de la charge d'effondrement dans laquelle les exigences fondamentales d'équilibre, de plasticité et de mécanisme sont satisfaites simultanément.
Rotules plastiques et fissures au voisinage des rotules plastiques
De manière analogue à une poutre avec de petites ouvertures, l'incorporation d'une grande ouverture dans la zone de flexion pure d'une poutre n'affectera pas sa capacité en moment, à condition que la profondeur du bloc de contraintes de compression ultime soit inférieure ou égale à la hauteur de la membrure comprimée et que la rupture par instabilité de la membrure comprimée soit évitée en limitant la longueur de l'ouverture, ce qui doit faire l'objet d'une analyse approfondie.
Analyse de flambement, premier mode propre et facteur critique
Récapitulatif
Les ouvertures dans les poutres, voiles et dalles constituent le quotidien des ingénieurs structure. Le monde moderne aspire à des structures transparentes, élancées et de grande hauteur, qui présentent des avantages tant économiques qu'environnementaux. Une compréhension claire du mécanisme de rupture et de sa prévention est essentielle pour concevoir des structures élancées, transparentes et esthétiques. Par ailleurs, cela permet également de réduire la hauteur structurelle nécessaire pour les gaines, canalisations et autres équipements.
La méthode de calcul CSFM utilisée pour analyser ces types de structures a été rigoureusement testée et vérifiée. Pour en savoir plus sur les vérifications des éléments structurels ou pour approfondir le sujet, consultez notre Contexte théorique pour la vérification selon l'Eurocode
Le CSFM est une méthode transparente qui offre à l'ingénieur structure un contrôle sur le comportement de la structure. Pour en savoir plus sur la méthode et son application, consultez notre webinaire sur la conception du béton armé via le CSFM.
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