Assemblages acier préqualifiés (AISC) - Résumé, Conclusion et Recommandations

La série d'exemples de vérification a été préparée dans le cadre d'un projet commun entre l'Ohio State University et IDEA StatiCa. Les auteurs sont listés ci-dessous :

• Baris Kasapoglu, doctorant
• Ali Nassiri, Ph.D.
• Halil Sezen, Ph.D.

Assemblage à moment résistant à section de poutre réduite (RBS)

Un assemblage à moment résistant RBS testé a été sélectionné dans une étude expérimentale (Uang et al., 2000) et cinq variantes supplémentaires ont été créées. Les capacités en résistance au moment fléchissant de six éprouvettes avec leurs modes de rupture ont été estimées selon la procédure AISC et à l'aide d'IDEA StatiCa. Les écarts entre les capacités calculées (1 - capacité en moment par IDEA StatiCa / capacité en moment calculée par la procédure AISC) varient de -3 % à +7 %, tandis que l'écart moyen est d'environ 4 % (Tableau 6.1). De plus, la relation moment-rotation calculée par IDEA StatiCa à l'aide de l'analyse de rigidité a été comparée à celle fournie dans le rapport d'essai (Figure 6.1). On peut constater qu'IDEA StatiCa est capable d'identifier le mode de rupture, de calculer la capacité en résistance au moment fléchissant et la courbe moment-rotation des assemblages à moment résistant RBS.

Tableau 6.1 : Résistance au moment fléchissant des assemblages à moment résistant RBS calculée par IDEA StatiCa et la procédure AISC (par rapport à la face du poteau)

Figure 6.1 : Comparaison de la rotation plastique sous moment (par rapport à l'axe du poteau) de l'assemblage à moment résistant RBS (modèle de référence)

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Assemblage à moment résistant avec platine d'extrémité (EPM)

Six assemblages EPM testés ont été évalués selon la procédure de calcul AISC et à l'aide d'IDEA StatiCa. Leurs capacités en moment et leurs modes de rupture ont été calculés et comparés aux observations de l'expérience (Sumner et al., 2000). Les écarts entre les résultats varient de -7 % à +11 %, tandis que l'écart moyen est d'environ 2 % (Tableau 6.2). Il convient de noter que la plastification de la platine d'extrémité constitue l'état limite déterminant pour la variante 3, où un écart de 11 % est calculé, tandis que la résistance insuffisante de la soudure entre la platine d'extrémité et l'âme de la poutre est le mode de rupture observé dans l'analyse IDEA StatiCa. Lorsque la soudure atteint sa limite de résistance, une déformation plastique de 1,9 % est calculée dans la platine d'extrémité, ce qui est inférieur à la limite de déformation plastique de 5 % pour les platines. D'après cet exemple, on peut interpréter que la procédure décrite dans l'AISC 358 pour l'état limite de plastification de la platine d'extrémité fournit un résultat plus conservateur qu'IDEA StatiCa. Pour le modèle de référence, la courbe moment-rotation obtenue avec IDEA StatiCa a été comparée à celle mesurée expérimentalement.  IDEA StatiCa démontre sa capacité à estimer la résistance à la rupture des boulons, y compris les effets de l'effort de levier sur la capacité résistante des boulons et la contribution du raidisseur de platine d'extrémité sur la résistance en flexion des éprouvettes EPM. L'écart entre les pentes après plastification et l'écart entre les valeurs de moment de pointe atteintes peuvent être attribués respectivement à la dégradation de rigidité subie par l'éprouvette testée et au modèle de matériau bilinéaire utilisé par IDEA StatiCa.

Figure 6.2 : Comparaison de la rotation plastique sous moment (par rapport à l'axe du poteau) de l'assemblage EPM (modèle de référence)

Tableau 6.2 : Résistance au moment fléchissant des assemblages EPM calculée par IDEA StatiCa et la procédure AISC (par rapport à la face du poteau)

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Assemblage à moment résistant à semelles soudées non renforcées et âme soudée (WUF-W) 

Les capacités en moment et les modes de rupture de six éprouvettes WUF-W testées ont été calculés à l'aide d'IDEA StatiCa et selon la procédure de calcul AISC, et les observations ont été comparées aux résultats des essais réalisés par Ricles et al. (2000). Les modes de rupture obtenus à partir des trois sources sont similaires pour tous les assemblages, tandis que les capacités en moment calculées par IDEA StatiCa sont environ 8 % supérieures à celles obtenues par la procédure de calcul AISC, à l'exception du modèle de référence (Tableau 6.3). La raison pour laquelle IDEA StatiCa calcule des capacités en moment plus élevées que la procédure AISC pour les variantes peut être associée à l'hypothèse de localisation de la rotule plastique. Il est recommandé par l'AISC 358 de la situer à la face du poteau pour les assemblages à moment résistant WUF-W, ce qui conduit à un moment additionnel moindre dû à l'effort tranchant à l'emplacement de la rotule plastique par rapport au cas où elle se produit à une certaine distance de la face du poteau. Pour le modèle de référence, l'analyse IDEA StatiCa montre que l'éprouvette atteint sa capacité lorsque la soudure entre la face du poteau et la platine d'âme rompt. De même, les calculs manuels effectués selon la procédure de calcul AISC indiquent que la soudure ne satisfait pas à la limite de résistance requise. Cependant, il n'existe pas de procédure définie par l'AISC pour calculer la capacité en moment de ce type d'assemblages contrôlés par la soudure entre le poteau et la poutre ou la platine d'âme. Il convient de noter que la capacité en moment calculée selon la procédure AISC est basée sur la résistance plastique en flexion de la poutre, bien que cet assemblage ne soit pas autorisé à être dimensionné par l'AISC puisque l'exigence de résistance pour la soudure n'est pas satisfaite. Dans l'ensemble, l'écart moyen entre les capacités en moment calculées par IDEA StatiCa et la procédure AISC est d'environ 5 %. De plus, une analyse moment-rotation a été réalisée à l'aide d'IDEA StatiCa et d'ABAQUS pour le modèle de référence et les résultats ont été comparés. La courbe de rotation plastique sous moment calculée par IDEA StatiCa a été comparée à celle mesurée fournie par les chercheurs ayant réalisé les essais (Figure 6.3). L'écart entre les pentes des courbes peut être attribué à la dégradation de rigidité subie par l'éprouvette testée lors du chargement cyclique. Un autre commentaire pouvant être formulé est que, puisqu'IDEA StatiCa utilise un modèle de matériau bilinéaire, le comportement d'écrouissage n'a pas pu être entièrement reproduit.

Tableau 6.3 : Résistance au moment fléchissant des assemblages à moment résistant WUF-W calculée par IDEA StatiCa et la procédure AISC (par rapport à la face du poteau)

Figure 6.3 : Comparaison de la rotation plastique sous moment (par rapport à l'axe du poteau) de l'assemblage à moment résistant WUF-W (modèle de référence)

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Assemblage à moment résistant à semelles soudées non renforcées et âme boulonnée (WUF-B)

Le comportement en flexion de cinq éprouvettes WUF-B testées (Lee et al., 1999) a été étudié avec un total de huit modèles utilisant deux types de boulons différents : 1) friction, 2) appui. Les capacités en moment fléchissant des éprouvettes ont été calculées à l'aide d'IDEA StatiCa et selon la procédure de calcul AISC, puis comparées (Tableau 6.4). Étant donné que les boulons à glissement contrôlé peuvent être dimensionnés comme des boulons d'appui précontraints si le coefficient de glissement de la surface de contact est supérieur ou égal à 0,30 selon l'AISC 341 (2016), les éprouvettes contenant des boulons à glissement contrôlé (par exemple, référence.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) peuvent être ignorées dans la comparaison de la résistance au moment entre IDEA StatiCa et la procédure AISC. Pour les autres assemblages, les écarts entre les capacités en moment calculées par IDEA StatiCa et l'AISC varient de -18 % à -6 %, tandis que l'écart moyen est d'environ 13 %. La raison pour laquelle IDEA StatiCa calcule une résistance au moment plus conservative que la procédure AISC peut être associée à la faible adhérence entre l'âme de la poutre et la semelle du poteau. Un examen plus approfondi peut être réalisé en remplaçant la platine d'âme par une soudure bout à bout le long de l'âme de la poutre et en obtenant une amélioration significative de la capacité en moment selon la même procédure dans IDEA StatiCa.

Pour le modèle de référence, la rotation plastique sous moment a été obtenue à partir de l'analyse IDEA StatiCa et comparée à celle mesurée expérimentalement (Figure 6.4). Il convient de noter que des boulons à friction (glissement contrôlé) sont utilisés pour l'analyse moment-rotation, tandis que des boulons d'appui sont utilisés pour l'analyse de la capacité en moment. L'écart entre les courbes peut être associé au processus d'extraction des données. Étant donné que la courbe moment-rotation mesurée a été extraite de la figure fournie dans le rapport d'essai, de petites erreurs sont inévitables. La différence de comportement post-plastification peut être expliquée par le modèle de matériau bilinéaire utilisé par le logiciel.

Figure 6.4 : Comparaison de la rotation plastique sous moment (par rapport à l'axe du poteau) de l'assemblage à moment résistant WUF-B (modèle de référence)

Tableau 6.4 : Résistance au moment fléchissant des assemblages à moment résistant WUF-B calculée par IDEA StatiCa et la procédure AISC (par rapport à la face du poteau)

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Assemblage à moment résistant à double té

Six assemblages à double té testés ont été examinés selon la procédure de calcul AISC et à l'aide d'IDEA StatiCa. Leurs capacités en moment ont été calculées et les résultats ont été comparés.

Les écarts entre les résultats varient de -9 % à +7 %, tandis que l'écart moyen est d'environ 3 % (Tableau 6.5). De plus, les modes de rupture ont été estimés de manière satisfaisante. L'analyse moment-rotation a été réalisée à l'aide d'IDEA StatiCa et d'ABAQUS en utilisant deux types de boulons différents (par exemple, appui, friction), car le type de boulon à contrôle de tension n'est pas disponible dans IDEA StatiCa. Les courbes ont été comparées à celle obtenue expérimentalement par Leon (1999) pour le modèle de référence (Figure 6.5). On observe que la courbe de rotation plastique sous moment de l'éprouvette testée se situe entre celles calculées par les analyses IDEA StatiCa pour les boulons à friction et d'appui, comme prévu. De plus, les vérifications de préqualification décrites dans l'AISC 358 ont été effectuées pour les éprouvettes. Pour le modèle de référence, une analyse de dimensionnement en capacité a été réalisée dans IDEA StatiCa et comparée à celle obtenue selon la procédure AISC. On peut conclure qu'IDEA StatiCa est très capable de calculer la capacité en moment et de déterminer le mode de rupture des assemblages à moment résistant à double té. De plus, il peut être ajouté que l'analyse en capacité (par exemple, CD) est capable de déterminer si l'assemblage dispose d'une capacité résistante suffisante lorsqu'une rotule plastique se forme dans les deux poutres, comme l'exige l'AISC 358 pour les assemblages parasismiques.

Tableau 6.5 : Résistance au moment fléchissant des assemblages à moment résistant à double té calculée par IDEA StatiCa et la procédure AISC (par rapport à la face du poteau)

Figure 6.5 : Comparaison de la rotation plastique sous moment (par rapport à l'axe du poteau) de l'assemblage à moment résistant à double té (modèle de référence)

Dans l'ensemble, il existe une bonne concordance entre les capacités en moment et les modes de rupture obtenus à partir des essais, de l'analyse IDEA StatiCa et de la procédure de calcul AISC. Les recommandations pour améliorer davantage le logiciel sont listées ci-dessous :

• Un nouveau type de boulon pour les boulons à contrôle de tension/précontraints peut être développé et mis à disposition des utilisateurs, en complément des types de boulons d'appui et à friction.
• Les forces à appliquer avec les options « les charges sont en équilibre » peuvent être calculées par IDEA StatiCa pour différentes longueurs d'éléments et conditions aux limites selon les préférences de l'utilisateur. De cette façon, une analyse peut être réalisée pour la condition souhaitée sans autre logiciel ni calcul manuel supplémentaire. Avec la version actuelle d'IDEA StatiCa (c'est-à-dire v22), pour calculer la capacité en moment des éprouvettes testées, les forces à l'assemblage ont été calculées à l'aide de SAP2000 en représentant les conditions de mise en essai (par exemple, longueurs des éléments, conditions aux limites), puis ces forces calculées ont été appliquées dans IDEA StatiCa en utilisant l'option « les charges sont en équilibre ».
• Un chargement incrémental peut être appliqué automatiquement et systématiquement par IDEA StatiCa et la capacité en moment peut être fournie sans avoir besoin d'ajuster les charges et de relancer le calcul.
• Les vérifications de préqualification peuvent être effectuées par IDEA StatiCa.
• Un meilleur outil de maillage peut être intégré au logiciel.
• La représentation de la courbe moment-rotation peut être améliorée/enrichie en fournissant aux utilisateurs des outils pour ajuster la police, la couleur et la taille du graphique.
• Certains symboles doivent être corrigés/ajustés pour les utilisateurs américains (par exemple, θ au lieu de ϕ pour la rotation selon l'AISC).

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