Assemblage de moment en tête de poteau de portique boulonné

Description

L'objectif de cette étude est la vérification d'un assemblage de moment en tête de poteau de portique boulonné, comme illustré à la Fig. 9.2.1. Le chevron est boulonné à l'aide d'une platine d'extrémité sur la semelle du poteau. Le poteau est raidi par deux raidisseurs horizontaux au niveau des semelles de la poutre. Les plaques comprimées, par exemple les raidisseurs horizontaux du poteau, le panneau d'âme en cisaillement ou en compression, et la semelle comprimée de la poutre, sont dimensionnées en classe de section transversale 3. La poutre horizontale mesure 6 m de long et est chargée par une charge continue sur toute sa longueur.

Fig. 9.2.1 Assemblage de moment en tête de poteau de portique boulonné

Modèle analytique

Huit composantes sont examinées : la soudure d'angle, le panneau d'âme en cisaillement, l'âme du poteau en compression transversale, l'âme du poteau en traction transversale, la semelle de poutre en compression et en traction, la semelle du poteau en flexion, la platine d'extrémité en flexion, et les boulons. Toutes les composantes sont dimensionnées conformément à EN 1993-1-8:2005. Les charges de calcul des composantes dépendent de leur position. Le panneau d'âme en cisaillement est chargé par les charges de calcul sur l'axe vertical du poteau. Les autres composantes sont chargées par les charges de calcul réduites dans la semelle du poteau à laquelle la poutre horizontale est raccordée.

Soudure d'angle

La soudure est fermée sur toute la section transversale de la poutre. L'épaisseur de la soudure sur les semelles peut différer de l'épaisseur de la soudure sur l'âme. L'effort tranchant vertical est transmis uniquement par les soudures sur l'âme et une distribution plastique des contraintes est considérée. Le moment fléchissant est transmis par l'ensemble du profil de soudure, et une distribution élastique des contraintes est considérée. La largeur efficace de la soudure dépendant de la rigidité horizontale du poteau est prise en compte (en raison de la flexion de la semelle non raidie du poteau). Le dimensionnement de la soudure est effectué conformément à EN 1993-1-8:2005, Art. 4.5.3.2(6). La vérification est réalisée en deux points principaux : sur le bord supérieur ou inférieur de la semelle (contrainte de flexion maximale) et à l'intersection de la semelle et de l'âme (combinaison des contraintes d'effort tranchant et de moment fléchissant).

Panneau d'âme en cisaillement

L'épaisseur de l'âme du poteau est dimensionnée pour être au plus de troisième classe ; voir EN 1993-1-8:2005, Art. 6.2.6.1(1). Deux contributions à la capacité portante sont considérées : la résistance de la paroi du poteau en cisaillement et la contribution du comportement cadre des semelles du poteau et des raidisseurs horizontaux ; voir EN 1993-1-8:2005, Art. 6.2.6.1 (6.7 et 6.8).

Âme du poteau en compression ou traction transversale

L'effet de l'interaction de la charge de cisaillement est pris en compte ; voir EN 1993-1-8:2005, Art. 6.2.6.2 et Tab. 6.3. L'influence de la contrainte longitudinale dans la paroi du poteau est prise en compte ; voir EN 1993-1-8:2005, Art. 6.2.6.2(2). Les raidisseurs horizontaux empêchent le flambement et sont inclus dans la capacité portante de cette composante avec l'aire efficace.

Semelle de poutre en compression

La poutre horizontale est dimensionnée pour être au maximum de troisième classe.

Semelle du poteau ou platine d'extrémité en flexion

Les longueurs efficaces pour les ruptures circulaires et non circulaires sont considérées conformément à EN 1993-1-8:2005, Art. 6.2.6. Trois modes de ruine conformément à EN 1993-1-8:2005, Art. 6.2.4.1 sont considérés.

Boulons

Les boulons sont dimensionnés conformément à EN 1993-1-8:2005, Art. 3.6.1. La résistance de calcul tient compte de la résistance au poinçonnement et à la rupture du boulon.

Modèle numérique de calcul

Le T-stub est modélisé par des éléments coques à 4 nœuds comme décrit au Chapitre 3 et résumé ci-après. Chaque nœud possède 6 degrés de liberté. Les déformations de l'élément comprennent des contributions membranaires et en flexion. Un état matériau élasto-plastique non linéaire est étudié dans chaque couche du point d'intégration. La vérification est basée sur la déformation maximale donnée conformément à EN 1993-1-5:2006 par une valeur de 5 %. Les boulons sont divisés en trois sous-composantes. La première est la tige du boulon, modélisée comme un ressort non linéaire et ne reprenant que la traction. La deuxième sous-composante transmet l'effort de traction dans les semelles. La troisième sous-composante résout la transmission du cisaillement.

Comportement global

Une comparaison du comportement global de l'assemblage, décrit par des diagrammes moment-rotation pour les deux procédures de calcul mentionnées ci-dessus, a été effectuée. L'attention a été portée sur les caractéristiques principales du diagramme moment-rotation : rigidité initiale, résistance de calcul et capacité de déformation. La poutre IPE 330 est raccordée au poteau HEB 300 à l'aide d'une platine d'extrémité prolongée avec 5 rangées de boulons M24 8.8. Les résultats des deux procédures de calcul sont présentés dans le graphique de la Fig. 9.2.2 et dans le Tab. 9.2.1. La méthode des composantes (MC) donne généralement une rigidité initiale plus élevée par rapport au CBFEM. Le CBFEM donne une résistance de calcul légèrement plus élevée par rapport à la MC dans tous les cas, comme indiqué au Chapitre 9.2.5. La différence est jusqu'à 10%. La capacité de déformation est également comparée. La capacité de déformation a été calculée conformément à (Beg et al. 2004) car l'EC3 fournit un cadre limité pour la capacité de déformation des assemblages à platine d'extrémité.

Fig. 9.2.2 Diagramme moment-rotation

Tab. 9.2.1 Aperçu du comportement global

Vérification de la résistance

La résistance de calcul calculée par CBFEM a été comparée aux résultats de la méthode des composantes à l'étape suivante. La comparaison a porté sur la résistance ainsi que sur la composante critique. L'étude a été réalisée pour le paramètre de section transversale du poteau. La poutre IPE 330 est raccordée au poteau par une platine d'extrémité prolongée avec 5 rangées de boulons. Des boulons M24 8.8 sont utilisés. Les dimensions de la platine d'extrémité P15 avec les distances de bord et les espacements des boulons en millimètres sont : hauteur 450 (50-103-75-75-75-73) et largeur 200 (50-100-50). Le bord extérieur de la semelle supérieure est à 91 mm du bord de la platine d'extrémité. Les semelles de la poutre sont raccordées à la platine d'extrémité par des soudures d'une épaisseur de gorge de 8 mm. L'âme de la poutre est raccordée par une soudure d'une épaisseur de gorge de 5 mm. Le poteau est raidi par des raidisseurs horizontaux en regard des semelles de la poutre. Les raidisseurs ont une épaisseur de 15 mm et leur largeur correspond à la largeur du poteau. L'épaisseur du raidisseur de la platine d'extrémité est de 10 mm et sa largeur est de 90 mm. Les résultats sont présentés dans le Tab. 9.2.2 et la Fig. 9.2.3.

Tab. 9.2.2 Résistance de calcul pour le paramètre – profil de poteau

Fig. 9.2.3 Résistance de calcul en fonction de la section transversale du poteau

Pour illustrer la précision du modèle CBFEM, les résultats des études paramétriques sont résumés dans le graphique comparant les résistances prédites par CBFEM et par la MC ; voir Fig. 9.2.4. Les résultats montrent que le CBFEM fournit une résistance de calcul légèrement plus élevée par rapport à la MC dans presque tous les cas. La différence entre les deux méthodes est jusqu'à 10%.

Fig. 9.2.4 Vérification du CBFEM par rapport à la MC

Exemple de référence

Données d'entrée

• Acier S235
• Poutre IPE 330
• Poteau HEB 300
• Hauteur de la platine d'extrémité h_p = 450 (50-103-75-75-75-73) mm
• Largeur de la platine d'extrémité b_p = 200 (50-100-50) mm
• Platine d'extrémité P15
• Raidisseurs du poteau de 15 mm d'épaisseur et 300 mm de largeur
• Raidisseur de platine d'extrémité de 10 mm d'épaisseur, 90 mm de largeur et de hauteur, chanfreins de 20 mm 
• Épaisseur de gorge de soudure de semelle a_f = 8 mm
• Épaisseur de gorge de soudure d'âme et de raidisseur de platine d'extrémité a_w = 5 mm
• Boulons M24 8.8

Résultats

• Résistance de calcul en flexion M_Rd = 206 kNm
• Effort tranchant vertical correspondant V_Ed= –206 kN
• Mode de ruine : plastification du raidisseur de poutre sur la semelle supérieure
• Taux de travail des boulons 90,2 %
• Taux de travail des soudures 99,0 %