Conception non linéaire d'une poutre voile en béton armé à ouvertures multiples en Croatie côtière

À propos du projet

Une poutre voile traverse les cinq niveaux du bâtiment (sous-sol, rez-de-chaussée, premier et deuxième étage, et toit) le long de l'axe « 2 ». Au niveau du sous-sol, elle s'étend sur 11,1 mètres sans support, tandis que chaque étage supérieur contient des ouvertures de porte plus petites, intentionnellement décalées dans le plan. Pour faire face à des actions plus élevées, la poutre du sous-sol a une épaisseur de 25 cm, réduite à 20 cm au-dessus du niveau du sol. Les voiles du sous-sol sont en béton C30/37, ceux des étages supérieurs en C25/30, avec le ferraillage B500 et des maillages Q385 sur les deux faces. Autour des ouvertures, le ferraillage de confinement composé de barres cannelées de 4×Ø20 redirigent les efforts en toute sécurité. En l'absence de linteau entre la grande ouverture du sous-sol et la porte du rez-de-chaussée - seule une dalle enjambe cet espace - la géométrie exigeait un modèle en béton armé réaliste plutôt qu'une théorie de la poutre simplifiée.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Modèle de poutre voile dans IDEA StatiCa Detail}}}\]

Défis techniques

Cette poutre n'était pas un cas classique d'action de cadre, mais une véritable région de discontinuité, avec des contraintes définies par la géométrie plutôt que par l'équilibre. La combinaison d'une longue ouverture au sous-sol et de portes supérieures en quinconce a perturbé le flux naturel des efforts et a créé des concentrations de contraintes localisées autour des ouvertures. L'absence d'un linteau traditionnel entre l'ouverture du sous-sol et celle du rez-de-chaussée a encore compliqué le trajet de la charge, une partie de la charge étant portée directement à travers la dalle.

L'application de la théorie de la poutre ou des éléments finis élastiques linéaires aurait donné une fausse représentation de ces conditions en supposant que les sections planes restent planes et que le béton ne se fissure pas. De telles simplifications risquent d'aboutir à des résultats non conservateurs, en négligeant la largeur des fissures et les concentrations locales de déformation, ou à des principes de construction excessivement conservateurs avec des poteaux ou des poutres voiles inutiles. Ce qu'il fallait, c'était une approche capable de représenter la fissuration et le ramollissement de la compression, le raidissement de la traction, les effets du fluage et le glissement-adhérence entre l'acier et le béton.

Dans la pratique, un paquet d'éléments finis non linéaires universel pourrait gérer cela, mais la construction d'un tel modèle pour une seule région de discontinuité prendrait beaucoup de temps et ne serait pas paramétrique. Pour la conception quotidienne, ces frais généraux sont rarement réalisables, c'est pourquoi un outil intégré basé sur la méthode des champs de contrainte compatibles était essentiel.

Solutions et résultats

Les ingénieurs ont utilisé IDEA StatiCa Detail et le flux de travail 2D Walls pour créer un modèle de coque à contraintes planes du béton, avec des barres 1D liées par des contraintes MPC. L'analyse non linéaire avec le pas de Newton-Raphson a poussé le modèle jusqu'à des limites significatives, en vérifiant les déformations du béton, les déformations du ferraillage et le glissement à l'interface acier-béton. Tous les résultats ont été vérifiés conformément à la norme EN 1992-1-1, ce qui a permis de les intégrer directement dans la conception statique.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Contraintes de compression dans le béton de la poutre voile}}}\]

L'optimisation de la topologie s'est avérée décisive. En effectuant des itérations avec des volumes effectifs de 20 % et 40 %, l'outil a révélé des trajectoires de l'effort et du ferraillage claires. Cela a permis de confirmer où le ferraillage incliné était essentiel (autour de l'ouverture du sous-sol et des portes en quinconce) et où l'acier supplémentaire n'apporterait aucune valeur ajoutée. L'équipe a ajouté trois groupes de barres inclinées de 4Ø20, ce qui a assuré la sécurité sans poteaux lourdes ni poutres voiles.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Optimisation topologique dans IDEA StatiCa Detail (40\%\ volume effectif)}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Ferraillage supplémentaire basé sur l'optimisation topologique}}}\]

Le résultat a permis des gains à la fois structurels et architecturaux : un soffite plat au-dessus de l'ouverture du sous-sol, une meilleure disposition du parking et de la circulation, et l'absence de besoin d'une excavation plus profonde - un facteur clé avec le sous-sol situé sous le niveau de la mer. Puisque la fissuration et le fonctionnement ayant été démontrés de manière réaliste, l'investisseur a approuvé le plan optimisé. Les rapports automatiques et les calendriers des barres d'armature ont rationalisé la documentation et réduit les efforts de coordination.

À propos de Superstructure d.o.o.

Superstructure d.o.o. est une société d'ingénierie structurelle et de conseil technique basée à Zadar, en Croatie, fondée et dirigée par Ante Uglešić. Établi en 2023, l'entreprise fournit des services de conception et de supervision de la construction à travers des projets locaux et régionaux, offrant une agilité et une expertise personnalisée aux clients.