Quand les ingénieurs se défient - 6 façons de concevoir un assemblage acier

Les équipes étaient composées d'ingénieurs structure issus de bureaux d'études et d'entreprises de construction métallique, chacune étant guidée par un concepteur d'assemblages expérimenté. Après que les groupes ont présenté leurs conceptions, nous, chez IDEA StatiCa, avons eu l'opportunité de modéliser les assemblages avec l'application Connection. Ainsi, nous avons pu analyser les résultats immédiatement et les discuter ensemble.

Nous expliquons les conceptions et les résultats plus en détail ci-dessous. L'article est divisé en deux parties, une pour chaque défi de conception d'assemblage acier.

1 - Concevoir un assemblage poteau-poutre complexe avec des poutres de rive

Dans le premier défi de conception, nous nous sommes concentrés sur un assemblage reliant quatre éléments. Les efforts internes et les profilés ont rendu cette tâche de conception particulièrement exigeante, comme en témoigne la variété des solutions : chacune des six équipes a adopté une approche différente. C'est précisément ce qui rend cette profession si fascinante : il n'existe jamais une seule solution correcte.

Le défi le plus important est apparu avec l'assemblage des poutres de rive. Deux sections creuses rectangulaires (180/180/6) devaient être raccordées à un poteau (HEA160) ou à une poutre principale (IPE400). Combiné aux charges imposées, cela a créé une situation de conception difficile.

Vous trouverez ci-dessous un aperçu des assemblages, des croquis et des modèles élaborés dans le logiciel d'assemblage acier IDEA StatiCa. Nous discutons ensuite de chaque assemblage et mettons en évidence les points clés issus des discussions et des résultats.

Groupe A

Le groupe A a choisi de prolonger le poteau et de raccorder la poutre principale (IPE400) avec une platine d'extrémité. Le défi résidait principalement dans le raccordement des poutres de rive en SHS à la colonne HEA160. Pour cela, un assemblage par gousset avec deux boulons M36 a été proposé. Lors de la modélisation dans IDEA StatiCa, il est cependant rapidement apparu qu'il n'y avait pas suffisamment d'espace pour cette taille de boulon. Comme les experts l'ont souligné lors de l'atelier, il est essentiel de dessiner à l'échelle pour comprendre la faisabilité de fabrication d'un assemblage.

Au lieu d'un assemblage soudé direct, le groupe a choisi de prolonger la platine à travers une fente dans l'âme du poteau afin de mieux transférer les efforts et de réduire les contraintes dans l'âme du poteau.

Lors du calcul de l'assemblage dans IDEA StatiCa, de grandes déformations plastiques apparaissent dans l'assemblage des poutres de rive. En raison de l'effort de compression axial élevé de 400 kN dans les poutres de rive et d'une excentricité dans le gousset, un moment fléchissant se produit dans l'assemblage. L'utilisation d'un outil d'analyse par éléments finis comme IDEA StatiCa rend cela rapidement visible à travers les déformations qui se produisent.

En augmentant les épaisseurs de platine, l'assemblage peut satisfaire aux exigences. Avec une platine continue de 35 mm et 2x boulons M33 8.8, une résistance et une rigidité suffisantes sont atteintes.

Bien que la solution soit satisfaisante, il vaut la peine d'envisager d'éviter l'excentricité, ce qui est probablement plus efficace sur le plan structurel.

Groupe B

Le groupe B avait un assemblage similaire, mais ici la poutre principale était prolongée. Le choix d'un assemblage symétrique des poutres en section creuse carrée (SHS) évite le moment fléchissant supplémentaire. Avec les épaisseurs de platine prescrites, la déformation plastique est juste en dessous de la limite de 5%.

En épaississant les platines et en fournissant des soudures suffisantes, la combinaison de la compression axiale et du cisaillement horizontal peut être reprise, maintenant la déformation plastique en dessous de 5%.

Seuls les boulons ne sont toujours pas satisfaisants avec 4x M24 8.8. Cependant, renforcer simplement les boulons ne résout pas le problème car la vérification normative est limitée par la résistance au refoulement. Une solution alternative consiste à augmenter la nuance d'acier des platines d'assemblage en S355. Cela permet d'obtenir des résultats optimaux avec seulement des augmentations minimales de l'épaisseur des platines et de la taille des boulons.

Groupe C

Le groupe C a un assemblage similaire, mais contrairement aux groupes A et B, il est plus adapté aux charges horizontales car le gousset est tourné d'un quart de tour. Nous sommes à nouveau confrontés à une excentricité et rencontrons les mêmes problèmes que dans le groupe A. L'utilisation de quatre boulons au lieu de deux rend l'assemblage plus rigide, mais on observe toujours des déformations plastiques et des déformations élevées. La soudure du gousset au raidisseur et l'augmentation des épaisseurs de platine contribuent à rendre l'assemblage plus rigide, mais l'excentricité sera toujours présente.

En augmentant les épaisseurs de platine de 15 mm à 30 mm, l'assemblage peut satisfaire aux exigences de calcul avec 4x boulons M24 8.8.

Ce type d'assemblage fonctionne de manière optimale sans excentricités. Si une excentricité est inévitable pour des raisons pratiques, l'assemblage sera particulièrement adapté au transfert d'un effort transversal dans une direction, dans la direction où l'assemblage est le plus rigide. La combinaison d'une excentricité avec un effort de compression normal important et un effort transversal dans la direction faible de l'assemblage provoquera le flambement de l'élément et risque de conduire à un flambement.

Analyse de flambement

Pour évaluer correctement ce risque, il est judicieux d'effectuer une analyse de flambement supplémentaire. Avec IDEA StatiCa, une analyse linéaire de flambement peut être réalisée, qui montre que pour des platines d'épaisseur insuffisante, une forme de flambement ressemblant à un flambement global peut se produire. Sur la base du facteur de flambement correspondant, cela peut être interprété comme une rupture par flambement.

De plus amples informations à ce sujet et sur la façon dont IDEA StatiCa effectue l'analyse linéaire de flambement peuvent être trouvées dans l'article suivant Flambement global vs. flambement local. Qu'est-ce que cela signifie ?

Groupe D

Le groupe D adopte une approche différente et les problèmes observés dans les trois premiers groupes sont directement évités en prolongeant les poutres de rive. L'IPE400 est raccordé au poteau partiellement continu avec une platine d'extrémité et à la poutre de rive avec une petite platine d'aile. Les résultats montrent que l'assemblage se comporte bien sur le plan constructif et que les efforts sont transmis efficacement.

Puisqu'il s'agit d'un assemblage de cisaillement, le groupe recommande d'utiliser un trou oblong dans la platine d'âme pour éviter qu'un effort excessif ne soit transmis par le boulon lors de la rotation de la poutre. Cela évite des contraintes élevées dans la platine d'aile et dans la paroi de la section creuse rectangulaire. Cette considération de conception affecte également la rigidité en rotation de l'assemblage.

Analyse de rigidité

Pour déterminer la rigidité exacte de l'assemblage, une analyse de rigidité peut être réalisée avec IDEA StatiCa. Le diagramme moment-rotation est généré et, sur la base de l'Eurocode, l'assemblage peut être classifié comme entièrement rigide, semi-rigide ou articulé.

En analysant l'assemblage de la poutre de toiture pour le groupe D, IDEA StatiCa donne une rigidité en rotation considérée comme semi-rigide. Cette rigidité peut être représentée dans le modèle structurel global à l'aide d'une rigidité de ressort en rotation.

Cependant, si un assemblage simple est requis, le détail doit être modifié de sorte que l'assemblage soit effectivement classifié comme articulé. Comme le montre la figure ci-dessous, dans la situation (2), une rotule a été réalisée en abaissant la rangée de boulons supérieure. 

Groupe E

Le groupe E a prolongé la poutre de toiture et l'a placée au-dessus du poteau. Les poutres de rive ont été fixées à la poutre de toiture avec des platines d'extrémité, garantissant que les efforts sont correctement transmis dans l'assemblage.

Pour permettre le montage des boulons, le groupe a proposé une découpe dans la paroi de la section creuse. Une solution réfléchie, car la praticabilité est une préoccupation majeure. La découpe crée une distribution des contraintes différente dans l'entaille, mais en appliquant une découpe circulaire, les concentrations de contraintes restent limitées.

Groupe F

Comme nous l'avons vu, l'assemblage des poutres de rive crée des défis de conception. Le groupe F les résout en remplaçant les poutres de rive par des profilés HEA160. Cela facilite le raccordement des poutres au poteau et offre suffisamment d'espace pour le montage des boulons. L'assemblage se comporte bien en compression, et les platines d'extrémité canalisent efficacement les efforts à travers le poteau.

Cependant, les poutres de rive peuvent également être soumises à un effort de traction de 400 kN. Dans ce cas de charge, l'assemblage n'est pas satisfaisant. En augmentant l'épaisseur des platines d'extrémité de 15 mm à 20 mm, les exigences de résistance sont satisfaites et l'assemblage convient aux charges de traction et de compression.

Connection Library

Vous ne savez pas comment modéliser un assemblage acier spécifique ? La Connection Library dans IDEA StatiCa vous donne un accès instantané à des dizaines d'exemples pratiques, vous aidant à trouver la bonne solution plus rapidement. C'est une ressource précieuse que de nombreux ingénieurs structure utilisent comme source d'inspiration lors de la conception d'assemblages acier.

2 - Concevoir un assemblage platine de base de poteau avec contreventement

Le deuxième défi de conception concerne un assemblage de platine de base de poteau. Le contreventement diagonal peut être réalisé avec trois profilés différents et est chargé par un effort de compression de 500 kN. Le poteau lui-même est soumis à un effort de compression important de 2000 kN.

L'accent est mis sur l'assemblage entre le diagonal et le poteau, ainsi que sur la conception de la platine de base, y compris les ancrages et la fondation. Sur la base des croquis et des présentations soumis, les assemblages ont été modélisés et analysés dans IDEA StatiCa. Une fois de plus, cette conception montre que plusieurs solutions d'assemblage sont possibles : il n'existe pas de réponse unique et correcte. Ci-dessous, nous présentons un aperçu des différentes conceptions, y compris les résultats d'IDEA StatiCa. Nous discutons ensuite des principales considérations de conception, en abordant les groupes collectivement plutôt qu'individuellement.

Assemblage contreventement-poteau

Pour l'assemblage du contreventement, trois groupes (A, C, E) ont choisi une platine d'extrémité avec assemblage par tronçon, et les trois autres groupes (B, D, F) ont choisi un gousset avec assemblage boulonné.

La conception de l'assemblage par tronçon assure le transfert direct de l'effort de compression sans complications dans l'assemblage. En optant pour un profilé HEA, le montage des boulons est facilement réalisable et l'âme de l'élément diagonal est alignée avec l'âme du poteau. En conséquence, les contraintes sont bien transmises dans le poteau, comme on le voit dans les solutions des groupes A, C et E (voir figure).

En revanche, les groupes B, D et F ont choisi un assemblage par gousset. Cela a conduit à envisager de faire pivoter le poteau d'un quart de tour afin que le contreventement puisse être raccordé à l'intérieur du poteau sans occuper trop d'espace. Cependant, dans ce cas, le gousset est raccordé directement, mais transversalement, à l'âme du poteau, et en raison des efforts de compression élevés, des contraintes de pointe peuvent alors apparaître dans l'âme du poteau. Les calculs dans IDEA StatiCa montrent que la conception est juste dans les limites acceptables, mais l'ingénieur structure doit rester prudent. Si l'âme commence à se déformer plastiquement, il est conseillé de faire pivoter le poteau, d'augmenter l'épaisseur de l'âme ou d'ajouter des raidisseurs.

Dans les conceptions avec l'assemblage par gousset, il est avantageux de rendre l'assemblage symétrique et de ne pas laisser les platines dépasser trop loin, pour les mêmes raisons que nous avons évoquées dans le premier défi de conception. L'assemblage B présente une disposition asymétrique, mais la platine de 20 mm d'épaisseur et l'utilisation de six boulons résistent efficacement au moment résultant, maintenant les contraintes dans des limites acceptables.

Conception de la platine de base du poteau

Il existe également des considérations importantes dans la conception de la platine de base et de la fondation en béton. En raison des efforts de compression élevés, il est crucial que les contraintes soient bien distribuées à travers la platine de base dans le béton. Cela peut être réalisé en choisissant une platine plus épaisse et en la rendant plus large que le profilé du poteau afin que les contraintes soient mieux distribuées.

La figure ci-dessous compare les contraintes dans la platine de base et les contraintes de contact dans le béton pour une platine de base de 40 mm et de 10 mm d'épaisseur. Si la platine de base est trop mince, les contraintes se concentrent autour du profilé du poteau au lieu d'être efficacement distribuées. En conséquence, la surface de contact effective sur le béton devient trop petite, entraînant des contraintes de compression qui dépassent la limite admissible.

Fondation du poteau

Nous observons différentes solutions de fondation, avec ou sans joint de mortier, et des ancrages avec ou sans rondelles. Les ancrages utilisés vont de M20 à M30.

Les calculs dans IDEA StatiCa montrent qu'aucun des assemblages n'est satisfaisant pour la vérification normative des ancrages. Par défaut, les efforts tranchants sont définis pour être transmis par les ancrages. Les ancrages M20 s'avèrent insuffisamment résistants et ne peuvent pas supporter les efforts tranchants. En revanche, les ancrages M30 8.8, en combinaison avec une rondelle, sont suffisamment résistants pour transférer les efforts tranchants. Néanmoins, la vérification normative n'est toujours pas satisfaisante, car le problème ne réside plus dans l'acier, mais dans la rupture du béton.

Les efforts tranchants sur les ancrages provoquent une rupture sur chant du béton, avec les ancrages qui s'arrachent du béton. IDEA StatiCa Connection calcule avec du béton non armé, de sorte que la rupture du béton à des efforts plus élevés est inévitable.

Si les efforts ne peuvent pas être réduits, quatre solutions possibles subsistent.

1. Optimiser le transfert de l'effort tranchant en ajoutant une bêche. De cette façon, tout le cisaillement est transféré par la bêche et la rupture des ancrages et l'arrachement du béton sont évités.
2. Transférer les efforts tranchants par frottement plutôt que par les ancrages. L'effort de compression élevé dans le poteau fournit une résistance au frottement suffisante. 
3. Modifier le massif de béton. En augmentant la distance au bord ou la classe de béton, le risque d'arrachement du béton est réduit.
4. Concevoir une armature complémentaire dans le massif de béton. De cette façon, le ferraillage reprend les efforts de traction et prévient l'arrachement du béton. Cette solution peut être modélisée et analysée avec IDEA StatiCa 3D Detail.

Comme le montrent les croquis des concepteurs, seul le groupe E a inclus du ferraillage dans sa conception. En ajoutant du ferraillage à l'élément en béton, les mécanismes de rupture tels que l'arrachement du cône de béton et la rupture sur chant du béton peuvent être prévenus.

Vous souhaitez savoir comment gagner du temps dans la conception du ferraillage sans compromettre la sécurité ?

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Mot de conclusion

Les assemblages acier ont été conçus par 6 groupes, modélisés dans IDEA StatiCa et discutés avec des ingénieurs structure expérimentés. En utilisant IDEA StatiCa, nous avons pu analyser les résultats en détail et identifier et discuter des considérations de conception importantes. Cet atelier montre que de nombreux assemblages peuvent être conçus d'une infinité de façons et qu'il n'existe jamais une seule solution correcte. Nous avons expérimenté l'importance de dessiner à l'échelle et de suivre le cheminement des efforts dans l'assemblage. Analyser les rigidités et visualiser comment l'assemblage va se déformer est un bon exercice de réflexion pour comprendre comment un assemblage se comportera.

"L'imagination est plus importante que le savoir" a dit un jour un certain Albert Einstein. Et cela s'applique certainement aussi à la conception des assemblages acier. Quiconque peut imaginer à quoi ressemble un assemblage, comment il sera réalisé, si les proportions sont correctes, comment les efforts vont circuler et comment l'assemblage va se déformer est déjà un pas plus près de devenir le meilleur concepteur d'assemblages acier.