Pied de poteau – Poteau à section creuse (EN)

Description

La méthode des éléments finis basée sur les composants (CBFEM) pour le pied de poteau à section creuse vérifiée par rapport à la méthode des composants (CM) est décrite ci-dessous. Un poteau comprimé est dimensionné avec une section transversale d'au moins la classe 3. L'étude de sensibilité est réalisée pour la taille du poteau, les dimensions de la platine de base, la classe du béton et les dimensions du bloc de béton. Quatre composants sont activés : la semelle et l'âme du poteau en compression, le béton en compression y compris le coulis, le boulon d'ancrage en traction et les soudures. Cette étude est principalement axée sur deux composants : le béton en compression y compris le coulis et le boulon d'ancrage en traction.

Fig. 8.4.1 Points significatifs du diagramme d'interaction multilinéaire d'une section creuse carrée

Vérification de la résistance

Dans l'exemple suivant, le poteau en section creuse carrée SHS 150×16 est raccordé au bloc de béton avec les dimensions en plan a' = 750 mm, b' = 750 mm et une hauteur h = 800 mm en béton de classe C20/25 par la platine de base a = 350 mm, b = 350 mm, t = 20 mm en acier de nuance S420. Les boulons d'ancrage sont dimensionnés 4 × M20, A_s = 245 mm² avec un diamètre de tête a = 60 mm en acier de classe 8.8 avec des décalages en haut de 50 mm et à gauche de −20 mm et avec une profondeur d'encastrement de 300 mm. Le coulis a une épaisseur de 30 mm.

Les résultats de la solution analytique sont présentés sous forme de diagramme d'interaction avec des points caractéristiques. Une description détaillée des points −1, 0, 1, 2 et 3 est présentée à la Fig. 8.4.1 ; voir (Wald, 1995) et (Wald et al. 2008), où le point −1 représente un effort de traction pur, le point 0 un moment fléchissant pur, les points 1 à 3 un effort de compression combiné à un moment fléchissant, et le point 4 un effort de compression pur.

Fig.8.4.2 Le pied de poteau pour le poteau SHS 150×16 et le maillage sélectionné de la platine de base

En CBFEM, les efforts de levier apparaissent dans le cas d'un chargement en traction pure ; tandis qu'en CM, aucun effort de levier n'est développé en limitant la résistance au seul mode de rupture 1-2 ; voir (Wald et al. 2008). En raison des efforts de levier, la différence de résistance est d'environ 10 %. Le modèle numérique du pied de poteau est présenté à la Fig. 8.4.2. Les résultats par CBFEM sont présentés par la distribution des contraintes de contact sur le béton pour les points 0 et 3, affichés aux Fig. 8.4.3 et Fig. 8.4.4, et comparés sur le diagramme d'interaction à la Fig. 8.4.5.

Fig. 8.4.3 Résultats CBFEM pour le point 0, c'est-à-dire le moment fléchissant pur

Fig. 8.4.4 Résultats CBFEM pour le point 3, c'est-à-dire l'effort de compression et le moment fléchissant

Fig. 8.4.5 Comparaison des résultats de prédiction de la résistance par CBFEM et CM sur le diagramme d'interaction pour le pied de poteau de section transversale SHS 150×16

Étude de sensibilité

L'étude de sensibilité est réalisée pour la taille de la section transversale du poteau, les dimensions de la platine de base, la classe du béton et les dimensions du bloc de béton. Les poteaux sélectionnés sont SHS 150×16, SHS 160×12,5 et SHS 200×16. La platine de base est dimensionnée avec des dimensions en plan de 100 mm, 150 mm et 200 mm plus grandes que la section transversale du poteau. L'épaisseur de la platine de base est de 10 mm, 20 mm et 30 mm. Le bloc de fondation est en béton de classe C20/25, C25/30, C30/37 et C35/45 avec une hauteur de 800 mm pour tous les cas et des dimensions en plan de 100 mm, 200 mm, 300 mm et 500 mm plus grandes que les dimensions de la platine de base. Un paramètre était modifié tandis que les autres restaient constants. Les paramètres sont résumés dans le Tab. 8.4.1. Les soudures d'angle d'épaisseur a = 12 mm ont été sélectionnées. Le coefficient d'assemblage pour le coulis de qualité suffisante est pris comme β_j = 0,67. Les plaques en acier sont en S420 avec des boulons d'ancrage M20 de classe 8.8 avec une profondeur d'encastrement de 300 mm dans tous les cas.

Tableau 8.4.1 Paramètres sélectionnés

Pour l'étude de sensibilité de la section transversale du poteau, la classe de béton C20/25, l'épaisseur de platine de base de 20 mm, le débord de platine de base de 100 mm et le débord du bloc de béton de 200 mm ont été utilisés pour les paramètres variables de la section du poteau. La comparaison du CBFEM au modèle analytique par CM est présentée dans les diagrammes d'interaction de la Fig. 8.4.6.

Fig. 8.4.6 Comparaison des résultats du CBFEM au CM pour les différentes sections transversales de poteau

Pour l'étude de sensibilité du débord de la platine de base, la section transversale du poteau SHS 200×16, la classe de béton C25/30, l'épaisseur de platine de base de 20 mm et le débord du bloc de béton de 200 mm ont été sélectionnés. La comparaison des diagrammes d'interaction est présentée à la Fig. 8.4.7. La différence la plus significative concerne la résistance en traction pure d'une grande platine de base où des efforts de levier importants étaient présents dans les analyses CBFEM, lesquels sont limités par le dimensionnement analytique.

Fig. 8.4.7 Comparaison des résultats du CBFEM au CM pour les différents débords de platine de base

Pour l'étude de sensibilité de l'épaisseur de la platine de base, la section transversale du poteau SHS 200×16, la classe de béton C25/30, le débord de platine de base de 100 mm et le débord du bloc de béton de 200 mm ont été sélectionnés. Des épaisseurs de platine de base de 10 mm, 20 mm et 30 mm ont été utilisées dans cette étude. La comparaison des diagrammes d'interaction est présentée à la Fig. 8.4.8. La différence la plus importante concerne la résistance en traction pure d'une platine de base mince où des efforts de levier importants étaient présents dans les analyses CBFEM, lesquels sont limités dans le dimensionnement analytique par CM.

Fig. 8.4.8 Comparaison des résultats du CBFEM au CM pour les différentes épaisseurs de platine de base

Pour l'étude de sensibilité de la classe du béton, la section transversale du poteau SHS 150×16, l'épaisseur de platine de base de 20 mm, le débord de platine de base de 100 mm et le débord du bloc de béton de 200 mm ont été sélectionnés. Les classes de béton C20/25, C30/37 et C35/45 ont été utilisées dans cette étude. La comparaison des diagrammes d'interaction est présentée à la Fig. 8.4.9.

Fig. 8.4.9 Comparaison des résultats du CBFEM au CM pour les différentes classes de béton

Pour l'étude de sensibilité du débord du bloc de béton, la section transversale du poteau SHS 160×12,5, l'épaisseur de platine de base de 20 mm, le débord de platine de base de 100 mm et la classe de béton C25/30 ont été sélectionnés. Des débords de bloc de béton de 100 mm, 300 mm et 500 mm ont été utilisés dans cette étude. La comparaison des diagrammes d'interaction est présentée à la Fig. 8.4.10.

Fig. 8.4.10 Comparaison des résultats du CBFEM au CM pour les différents débords de bloc de béton

Les différences dans la prédiction de la résistance du pied de poteau par CBFEM et CM résident principalement dans la prise en compte des efforts de levier en CBFEM et leur exclusion par CM conformément à EN 1993-1-8:2005.

Tab. 8.4.2 Comparaison des diagrammes d'interaction du CBFEM et du CM

Cas de référence

Données d'entrée

Section transversale du poteau

• SHS 150×16
• Acier S420

Platine de base

• Épaisseur 20 mm
• Débords en haut 100 mm, à gauche 100 mm
• Soudures – soudures bout à bout
• Acier S420

Ancrages

• M20 8.8.
• Longueur d'ancrage 300 mm
• Type d'ancrage : Rondelle - circulaire ; taille 40 mm
• Décalages rangées supérieures 50 mm, rangées gauches −20 mm
• Plan de cisaillement dans le filet

Bloc de fondation

• Béton C20/25
• Débord 200 mm
• Profondeur 800 mm
• Transfert de l'effort tranchant par frottement
• Épaisseur du coulis 30 mm

Chargement

• Effort axial N = −762 kN
• Moment fléchissant M_y = 56 kNm

Résultats

• Plaques
• Boulons d'ancrage 97,8 % (\(N_{Ed,g} = 65.7 \textrm{ kN} \le N_{Rd,c} = 67.2 \textrm{ kN}\) (composant critique : rupture du béton en cône pour le groupe d'ancrages A1 et A2)
• Bloc de béton 91,5 % (\( \sigma = 24.5 \textrm{ MPa} \le f_{jd} = 26.8 \textrm{ MPa}\))
• Rigidité rotationnelle sécante \(S_{js} = 6.3 \textrm{ MNm/rad}\)

Références

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Calcul des structures en acier – Partie 1-8 : Calcul des assemblages, CEN, Bruxelles, 2005.

Wald F. Column Bases, CTU Publishing House, Prague, 1995.

Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Component method for steel column bases, Heron, 53, 2008, 3-20.