1.1 Introduction générale à la conception structurelle des détails en béton
La conception et l'évaluation des éléments en béton sont normalement effectuées au niveau de la section (élément 1D) ou au niveau ponctuel (élément 2D). Cette procédure est décrite dans toutes les normes de conception structurelle, par exemple dans (EN 1992-1-1 ou ACI 318-19), et elle est utilisée dans la pratique courante de l'ingénierie structurelle. Cependant, il n'est pas toujours connu ou respecté que la procédure n'est acceptable que dans les zones où l'hypothèse de Bernoulli-Navier de distribution plane des déformations s'applique (appelées régions B). Les endroits où cette hypothèse ne s'applique pas sont appelés régions de discontinuité ou régions perturbées (régions D). Des exemples de régions B et D pour des éléments 1D sont donnés en (Fig. 1). Il s'agit, par exemple, des zones d'appui, des parties où des charges concentrées sont appliquées, des emplacements où un changement brusque de la section transversale se produit, des ouvertures, etc. Lors de la conception de structures en béton, on rencontre de nombreuses autres régions D telles que les voiles, les diaphragmes de ponts, les corbeaux, etc.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]
Dans le passé, des règles de conception semi-empiriques étaient utilisées pour le dimensionnement des régions de discontinuité. Heureusement, ces règles ont été largement remplacées au cours des dernières décennies par des modèles Bielle-et-tirant (Schlaich et al., 1987) et des champs de contraintes (Marti 1985), qui figurent dans les codes de conception actuels et sont fréquemment utilisés par les concepteurs aujourd'hui. Ces modèles sont des outils mécaniquement cohérents et puissants. Il convient de noter que les champs de contraintes peuvent généralement être continus ou discontinus, et que les modèles Bielle-et-tirant constituent un cas particulier des champs de contraintes discontinus.
Malgré l'évolution des outils de calcul au cours des dernières décennies, les modèles Bielle-et-Tirant sont encore essentiellement utilisés comme calculs manuels. Leur application pour des structures réelles est fastidieuse et chronophage, car des itérations sont nécessaires et plusieurs cas de charge doivent être pris en compte. De plus, cette méthode n'est pas adaptée à la vérification des critères de serviceabilité (déformations, largeurs de fissures, etc.).
L'intérêt des ingénieurs structure pour un outil fiable et rapide permettant de concevoir les régions D a conduit à la décision de développer la nouvelle Méthode du Champ de Contraintes Compatible, une méthode de conception assistée par ordinateur des champs de contraintes qui permet la conception et l'évaluation automatiques des éléments en béton structurel soumis à des chargements dans leur plan.
La Méthode du Champ de Contraintes Compatible (CSFM) est une méthode d'analyse des champs de contraintes continue basée sur les éléments finis, dans laquelle les solutions classiques de champs de contraintes sont complétées par des considérations cinématiques, c'est-à-dire que l'état de déformation est évalué dans l'ensemble de la structure. Ainsi, la résistance effective à la compression du béton peut être calculée automatiquement en fonction de l'état de déformation transversale, de manière similaire aux analyses de champs de compression qui tiennent compte de l'adoucissement en compression (Vecchio et Collins 1986 ; Kaufmann et Marti 1998) et à la méthode EPSF (Fernández Ruiz et Muttoni 2007). De plus, le CSFM prend en compte le raidissement en traction, fournissant des rigidités réalistes aux éléments, et couvre toutes les prescriptions des codes de conception (y compris les aspects de serviceabilité et de capacité de déformation) qui n'étaient pas traités de manière cohérente par les approches précédentes. Le CSFM utilise des lois de comportement uniaxiales courantes fournies par les normes de conception pour le béton et le ferraillage. Celles-ci sont connues au stade de la conception, ce qui permet d'utiliser la méthode des coefficients partiels de sécurité. Ainsi, les concepteurs n'ont pas à fournir des propriétés matérielles supplémentaires, souvent arbitraires, telles que celles généralement requises pour les analyses EF non linéaires, ce qui rend la méthode parfaitement adaptée à la pratique de l'ingénierie.
Pour favoriser l'utilisation des champs de contraintes assistés par ordinateur par les ingénieurs structure, ces méthodes doivent être implémentées dans des environnements logiciels conviviaux. À cette fin, le CSFM a été implémenté dans IDEA StatiCa Detail ; un nouveau logiciel commercial convivial développé conjointement par l'ETH Zurich et la société de logiciels IDEA StatiCa dans le cadre du projet DR-Design Eurostars-10571.