Contexte et rumeurs
Bienvenue dans mon sixième article de blog ! Comme le veut désormais la tradition, j'aime y apporter une touche personnelle. Combien d'entre nous se souviennent du moment où ils ont analysé leur premier treillis ? Pour ma part, j'avais 18 ans et j'étais en deuxième année de sixth form, en préparation des A Levels (l'équivalent britannique du baccalauréat). La matière était le dessin technique et la méthode employée était la notation de Bow.
Combien d'ingénieurs (plus âgés) s'en souviennent ? Quelques années plus tard, un treillis a été la première structure que j'ai réalisée à l'université, certes avec trois autres membres de l'équipe. Il a été découpé, percé, boulonné, puis testé jusqu'à la ruine, ce qui n'a pas pris très longtemps, je m'empresse de le préciser !
Les treillis existent évidemment sous de nombreuses formes et dimensions, et sont réalisés dans tellement de matériaux différents 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 manière de les traiter, mais aussi celle de les dimensionner. Pour leur taille, ils offrent des capacités portantes exceptionnelles, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles ils constituent une solution de référence dans les situations délicates !
J'ai toujours aimé le bois, très probablement parce que je suis un passionné d'histoire du bâti et de la construction. Le bois a été le premier matériau structurel utilisé pour réaliser 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 dîmières ont été construites selon ces méthodes. Les assemblages étaient réalisés directement dans les éléments en bois, par tenon et mortaise avec des chevilles en bois ou des dispositifs similaires. Les outils dont disposaient les artisans d'autrefois étaient plutôt limités, ce qui a donné de véritables œuvres d'art en 3D, bien plus que de simples abris contre le vent et la pluie.
Les fermes en bois ont toujours été utilisées dans l'habitat, des manoirs médiévaux aux logements actuels. Ce qui a changé de façon spectaculaire, ce sont les méthodes et les formes employées. Les fermes de toiture modernes d'aujourd'hui, avec leurs éléments élancés et leurs plaques d'assemblage conçues sur mesure, sont très éloignées de l'image ci-dessus.
Pour étudier l'évolution des treillis en acier, il faut d'abord se pencher sur le fer, qu'il soit coulé ou forgé, et sur son rôle. Le secteur largement à l'origine de ce développement est celui des transports : pensez aux chemins de fer (partout dans le monde).
De nombreux exemples remarquables sont répartis à travers le globe :
Treillis lenticulaire de Brunel – Royal Albert Bridge - Fer
Le Forth Rail Bridge - Acier
Alors que les ponts ouvraient la voie à des conceptions ingénieuses et élégantes, qui allait relever le défi dans le domaine du bâtiment ? En 1889, la « Dame de fer » a été construite à Paris (également connue sous le nom de Tour Eiffel). Bien que réalisée en fer forgé, elle est sans doute l'un des édifices les plus emblématiques au monde à faire appel aux treillis et au fonctionnement en treillis.
Bien sûr, les structures modernes s'appuient de plus en plus sur les treillis pour répondre à des situations particulières ou franchir de grandes portées. Il existe plusieurs types de treillis, certains portant des noms particuliers :
- poutre bowstring (en arc à tirant)
- ferme en éventail
- ferme Fink
- ferme à la Mansart
- ferme Howe
- ferme à poinçon
- ferme à deux poinçons
- poutre Vierendeel (une forme de treillis)
- treillis Warren
- etc.
L'analyse structurelle, les méthodes de calcul et les matériaux ont évolué, mais une constante demeure : la difficulté du dimensionnement des assemblages. Pouvoir évaluer correctement les charges appliquées à un treillis (et à toute structure, d'ailleurs) est primordial. De nombreux treillis trouvent leur origine dans la géométrie. Il est donc important que celle-ci soit également reconnue comme un facteur important, parfois architectural.
Qu'en est-il d'IDEA StatiCa ?
Les éléments eux-mêmes (dans un treillis en acier) sont souvent élancés et sont par conséquent soumis à des effets supplémentaires qui peuvent amener un concepteur à envisager des formes d'analyse plus avancées. Disposer d'une solution logicielle capable de réunir toutes ces exigences avec des fonctionnalités faciles à utiliser est absolument essentiel dans le monde actuel de l'ingénierie structurelle.
Heureusement, il y a IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection permet de dimensionner en toute sécurité et efficacement les assemblages de treillis complexes d'aujourd'hui. Il existe également des assemblages bois avancés (à l'aide de plaques). Il peut utiliser le modèle analytique issu de plusieurs solutions de calcul par éléments finis, grâce à une application appelée IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot assure le lien entre le logiciel de calcul par éléments finis et IDEA StatiCa Connection. Si le concepteur s'inquiète des éléments du treillis, nous proposons IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot permet également de piloter cette solution.
Où IDEA StatiCa s'intègre-t-il ? Prenons un exemple simple, mais essentiel :
Ce sont probablement les structures les plus sous-estimées de nos réseaux routiers actuels. Elles sont soumises à tous les types de charges habituels : permanentes, d'exploitation, de vent, de neige et de givre. Il faut ensuite éventuellement prendre en compte les charges dynamiques. Le tout en cherchant à concevoir un ouvrage qui puisse être fabriqué efficacement et monté 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 de calcul par éléments finis (EF) adaptée, ici Autodesk Robot Structural Analysis. Veuillez consulter notre site web pour obtenir la 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 simple.
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 modèle EF. Les charges extérieures saisies dans le modèle EF sont utilisées pour l'analyse globale, et les sollicitations internes (efforts axiaux, efforts tranchants et moments) sont transférées vers Checkbot. Une fois dans Checkbot, elles sont disponibles à la fois dans Connection et dans Member.
Dans Checkbot, vous pouvez également visualiser les effets de charge.
Les éléments dans IDEA StatiCa Checkbot peuvent également être fusionnés : des éléments continus constitués de tronçons plus courts peuvent ainsi être regroupés pour le dimensionnement d'un assemblage. Dans cet exemple, les éléments de la membrure inférieure ont été modifiés de cette manière. À l'inverse, la membrure supérieure ne l'a pas été, car cela n'est pas nécessaire au niveau de son assemblage. C'est très pratique avec les applications de calcul par éléments finis qui doivent modéliser les éléments continus de cette façon.
Étape 3 – Dimensionner et vérifier les 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 l'analyse et la réalité. En fabrication, les éléments peuvent être déplacés pour faciliter leur soudage, ce qui peut souvent engendrer des problèmes dans le modèle analytique. Dans IDEA StatiCa, nous pouvons modifier les excentrements pour tenir compte de cet écart.
C'est dans la solution Connection qu'il faut penser à faire correspondre le modèle d'analyse au niveau du Type de modèle. Si vous souhaitez utiliser des assemblages àboulon unique sur un gousset traditionnel, vous devez penser à modifier le Type de modèle en conséquence, en choisissant N,Vy,Vx, qui n'admet pas de moments. En revanche, si votre assemblage (comme c'est le cas dans cet exemple) peut transmettre un moment, cette étape peut être évitée.
Travailler avec les combinaisons de charges de calcul réelles est indispensable pour obtenir un modèle d'assemblage sûr et efficace, ainsi qu'une vérification normative pertinente. En utilisant quatre opérations simples pour créer un assemblage entièrement soudé, nous constatons que tous les effets de charge critiques (nos combinaisons de calcul) ont été vérifiés tour à tour et qu'ils sont tous satisfaits.
Étape 4 – Vérifier les éléments
Le second assemblage peut être dimensionné de manière similaire avant d'examiner la diagonale dans IDEA StatiCa Member.
Cela montre toutefois qu'il existe de nombreuses possibilités d'améliorer encore l'efficacité des matériaux et des assemblages, car de nombreux éléments de treillis sont surdimensionnés pour compenser l'absence d'analyse avancée.
Réflexions finales
Les treillis sont un élément essentiel du génie civil et de la conception des structures, et leur utilisation ne fera que devenir plus audacieuse. Les progrès réalisés dans les matériaux et les méthodes de construction feront émerger de nouvelles conceptions et de nouveaux concepts au cours des prochaines années, j'en suis certain. Ce que je vois dans l'approche d'IDEA StatiCa en tant que plateforme de données, c'est le meilleur des deux mondes : nous pouvons laisser les experts du calcul par éléments finis poursuivre le développement de solutions de classe mondiale, tandis que nous nous appuyons sur leurs résultats et leur modèle pour créer les modèles d'assemblage et les vérifications des éléments, un domaine dans lequel nous sommes les meilleurs !
J'espère que vous avez apprécié cette incursion dans le monde des treillis et que vous avez vu comment nous, chez IDEA StatiCa, pouvons vous aider de plusieurs façons. Restez à l'affût d'un article connexe consacré aux diagonales, à paraître prochainement.
