Éléments de treillis et IDEA StatiCa

Contexte et prémices

Bienvenue dans mon sixième article de blog ! Comme c'est devenu la tradition, j'aime apporter une touche personnelle. Combien d'entre nous se souviennent de la première fois qu'ils ont analysé un treillis ? Pour ma part, j'avais 18 ans et j'étais en deuxième année de sixième forme, préparant mes A Levels. La matière était le Dessin Technique et la méthode était la notation de Bow.

Combien d'ingénieurs (plus âgés) s'en souviennent ? Quelques années plus tard, un treillis a été le premier système structurel que j'ai fabriqué à l'université – certes, avec trois autres membres d'équipe. Il a été découpé, percé, boulonné et testé jusqu'à la rupture – ce qui n'a pas pris très longtemps, je m'empresse de l'ajouter !

Les treillis se déclinent évidemment en de nombreuses formes et dimensions et sont fabriqués à partir de matériaux si variés qu'il est difficile de les compter – vous souvenez-vous des structures en pailles ? Le dénominateur commun a toujours été les assemblages – non seulement la façon dont ils doivent être traités, mais aussi la façon dont ils doivent être dimensionnés. Pour leur taille, ils offrent des capacités portantes exceptionnelles, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles ils constituent une solution de référence pour les situations délicates !

J'ai toujours eu un amour du bois – très probablement parce que je suis un passionné de construction et d'architecture historiques. Le bois a été le premier matériau structurel utilisé pour former des treillis. Les treillis en bois remontent à 2500 av. J.-C. Les Grecs de l'Antiquité les utilisaient dans leurs toitures et ils étaient très présents dans l'architecture médiévale.

De nombreuses anciennes granges à dîmes ont été construites selon ces méthodes. Les assemblages étaient réalisés dans les éléments en bois à l'aide de tenons et mortaises traditionnels avec des chevilles en bois ou similaires. Les outils auxquels les artisans du passé avaient accès étaient quelque peu limités, ce qui a donné lieu à des œuvres d'art en 3D plutôt qu'à de simples abris contre le vent et la pluie.

Les treillis en bois ont toujours été utilisés dans l'habitat, des manoirs médiévaux aux habitations modernes. Ce qui a radicalement changé, ce sont les méthodes et les formes utilisées. Les fermes de toiture modernes d'aujourd'hui, avec leurs éléments élancés et leurs plaques d'assemblage calculées, sont bien loin de l'image ci-dessus.

Lorsqu'on examine l'évolution des treillis en acier, il faut d'abord s'intéresser au fer, tant fonte que fer forgé, et à son rôle. Le secteur largement responsable de ce développement est celui des transports – pensez aux chemins de fer (dans le monde entier).

Il existe de nombreux beaux exemples répartis à travers le globe :

Le treillis lenticulaire de Brunel – Royal Albert Bridge - Fer

Le pont ferroviaire du Firth of Forth - Acier

Les ponts ayant ouvert la voie en matière de conception ingénieuse et élégante, qui allait relever le défi du point de vue des bâtiments ? En 1889, la « Dame de Fer » fut construite à Paris (également connue sous le nom de Tour Eiffel). Bien que construite en fer forgé, elle est peut-être l'un des bâtiments les plus emblématiques au monde à mettre en œuvre des treillis et l'action de treillis.

Bien entendu, les structures modernes font de plus en plus appel aux treillis pour faire face à des situations particulières ou franchir de grandes portées. Il existe plusieurs types de treillis, certains portant des noms spécifiques :

• treillis en arc
• treillis en éventail
• treillis Fink
• treillis gambrel
• treillis Howe
• ferme à poinçon central
• ferme à double poinçon
• poutre Vierendeel (une forme de treillis)
• treillis Warren
• etc.

L'analyse structurelle, les méthodes de dimensionnement et les matériaux ont évolué, mais la constante concernant la difficulté de la conception des assemblages demeure. Être capable d'évaluer correctement les sollicitations sur un treillis (et sur toute structure d'ailleurs) est primordial. Tant de treillis ont leurs racines dans la géométrie, il est donc important que la géométrie soit également reconnue comme un facteur important, parfois architectural.

Qu'en est-il d'IDEA StatiCa ?

Les éléments eux-mêmes (dans un treillis acier) sont souvent élancés et sont par conséquent soumis à des effets supplémentaires qui pourraient amener un concepteur à envisager des formes d'analyse plus avancées. Disposer d'une solution logicielle capable de combiner toutes ces exigences avec une fonctionnalité facile à utiliser est absolument essentiel dans le monde de l'ingénierie structurelle d'aujourd'hui.

Heureusement, il existe IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection peut dimensionner les assemblages de treillis complexes d'aujourd'hui de manière sûre et efficace – il existe également des assemblages avancés à base de bois (utilisant des plaques). Il peut utiliser le modèle analytique de plusieurs solutions EF grâce à une application appelée IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot assure le lien entre les logiciels EF et IDEA StatiCa Connection. Si le concepteur s'inquiète des éléments au sein du treillis, nous disposons d'IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot peut également être utilisé pour piloter cette solution.

Où IDEA StatiCa s'intègre-t-il ? Considérons un exemple simple, mais essentiel :

Ce sont peut-être les structures les plus sous-estimées de nos réseaux routiers aujourd'hui. Elles sont soumises à tous les types de charges habituels : poids propre, charges d'exploitation, vent, neige et glace. Il faut également éventuellement prendre en compte les charges dynamiques. Tout cela en cherchant à concevoir quelque chose qui puisse être fabriqué efficacement et mis en œuvre rapidement.

Cet exemple a été simplifié car nous souhaitons nous concentrer sur l'interaction avec la solution IDEA StatiCa.

Étape 1 – Analyse par éléments finis

La structure a été modélisée, analysée et dimensionnée dans une application d'analyse par éléments finis (EF) appropriée – dans ce cas Robot Structural Analysis d'Autodesk. Veuillez consulter notre site web pour une liste complète des applications prises en charge.

Le module complémentaire IDEA StatiCa Checkbot a été lancé depuis Robot. L'installation de la plupart de ces modules complémentaires dans les autres applications prises en charge s'effectue automatiquement afin de rendre leur utilisation encore plus rapide et plus facile.

Étape 2 – Export vers Checkbot

Les éléments et les assemblages sont sélectionnés dans Robot et exportés vers Checkbot. En cas de modifications, le modèle Checkbot peut également être synchronisé avec le logiciel EF. Les charges extérieures saisies dans le modèle EF sont utilisées pour l'analyse globale et les réactions internes – efforts normaux, efforts tranchants et moments – sont transférées vers Checkbot. Une fois dans Checkbot, elles sont disponibles à la fois pour Connection et Member.

Dans Checkbot, vous pouvez également visualiser les effets de charge.

Les éléments dans IDEA StatiCa Checkbot peuvent également être fusionnés – ainsi, des éléments continus composés de tronçons plus courts peuvent être fusionnés pour la conception d'un assemblage. Dans cet exemple, les éléments de la membrure inférieure ont été modifiés de cette façon. À l'inverse, la membrure supérieure ne l'a pas été car à son assemblage il n'y en a pas besoin. C'est très utile lorsqu'on utilise des applications EF qui doivent modéliser les éléments continus de cette manière.

Étape 3 – Dimensionnement et vérification normative des assemblages

Les assemblages peuvent être dimensionnés et vérifiés avec IDEA StatiCa Connection et les éléments peuvent être vérifiés dans IDEA StatiCa Member. Le positionnement des éléments a toujours été un compromis entre le modèle d'analyse et la réalité. Les éléments peuvent être déplacés en fabrication pour faciliter le soudage – cela peut souvent entraîner des problèmes dans le modèle analytique. Dans IDEA StatiCa, nous pouvons modifier les excentricités pour tenir compte de ce décalage.

C'est dans la solution Connection qu'il faut veiller à faire correspondre le modèle d'analyse lors de l'examen du Type de Modèle. Si vous souhaitez utiliser des assemblages à boulon unique dans un gousset traditionnel, vous devez penser à modifier le Type de Modèle en conséquence – en N,Vy,Vx – un type qui ne permet pas les moments. Cependant, si votre assemblage (comme c'est le cas dans cet exemple) peut reprendre un moment, cette étape peut être évitée.

Travailler avec les combinaisons de charges de calcul réelles est impératif pour obtenir un modèle d'assemblage sûr et efficace ainsi qu'une vérification normative satisfaisante. En utilisant quatre opérations simples pour créer un assemblage entièrement soudé, nous pouvons constater que tous les effets de charge critiques (nos combinaisons de calcul) ont été vérifiés successivement et sont tous satisfaisants.

Étape 4 – Vérification des éléments

Le deuxième assemblage peut être dimensionné de manière similaire avant d'examiner la diagonale dans IDEA StatiCa Member.

Ce que cela montre, cependant, c'est qu'il existe de nombreuses possibilités d'explorer davantage les optimisations en termes de matériaux et d'assemblages, car de nombreux éléments de treillis sont surdimensionnés pour compenser ce manque d'analyse avancée.

Réflexions finales

Les treillis sont une partie essentielle de l'ingénierie structurelle et leur utilisation ne va faire que se développer de manière de plus en plus audacieuse. Les avancées dans les matériaux et les méthodes de construction signifieront que de nouvelles conceptions et de nouveaux concepts émergeront dans les années à venir – j'en suis convaincu. Ce que je perçois dans l'approche d'IDEA StatiCa en tant que référentiel de données, c'est le meilleur des deux mondes : nous pouvons laisser les experts dans le domaine des EF continuer à développer des solutions de classe mondiale, tandis que nous nous connectons à leurs résultats et à leur modèle pour créer les modèles d'assemblages et les vérifications d'éléments – un domaine dans lequel nous sommes les meilleurs !

J'espère que vous avez apprécié cette incursion dans le monde des treillis et la façon dont nous, chez IDEA StatiCa, pouvons vous aider de plusieurs manières. Restez attentifs à un article connexe à paraître prochainement sur les contreventements.