Le calcul de la structure à l'aide du CSFM est réalisé au moyen de deux analyses distinctes : l'une pour les combinaisons de charges à l'état limite de service, l'autre pour l'état limite ultime. L'analyse à l'état limite de service suppose que le comportement à l'état limite ultime de l'élément est satisfaisant, et que les conditions de plastification du matériau ne seront pas atteintes aux niveaux de charge de service. Cette approche permet d'utiliser des modèles constitutifs simplifiés (avec une branche linéaire du diagramme contrainte-déformation du béton) pour l'analyse à l'état limite de service, afin d'améliorer la stabilité numérique et la vitesse de calcul. Il est donc recommandé d'utiliser le flux de travail présenté ci-dessous, dans lequel l'analyse à l'état limite ultime est réalisée en première étape.
Analyse à l'état limite ultime
Les différentes vérifications requises par les normes de calcul spécifiques sont évaluées sur la base des résultats directs fournis par le modèle. Les vérifications ELU sont réalisées pour la résistance du béton, la résistance de l'armature et l'ancrage (contraintes de cisaillement d'adhérence).
Pour garantir la conception efficace d'un élément structurel, il est fortement recommandé d'effectuer une analyse préliminaire prenant en compte les étapes suivantes :
- Choisir une sélection des combinaisons de charges les plus critiques.
- Calculer uniquement les combinaisons de charges à l'état limite ultime (ELU).
- Utiliser un maillage grossier (en augmentant le multiplicateur de la taille de maillage par défaut dans Setup (Fig. 19)).
Un tel modèle se calcule très rapidement, permettant aux concepteurs de revoir efficacement le ferraillage de l'élément structurel et de relancer l'analyse jusqu'à ce que toutes les exigences de vérification soient satisfaites pour les combinaisons de charges les plus critiques. Une fois que toutes les exigences de vérification de cette analyse préliminaire sont satisfaites, il est suggéré d'inclure l'ensemble complet des combinaisons de charges ultimes et d'utiliser une taille de maillage fine (la taille de maillage recommandée par le programme). L'utilisateur peut modifier la taille de maillage à l'aide du multiplicateur, qui peut atteindre des valeurs de 0,5 à 5 (Fig. 19).
Les résultats de base et les vérifications (contrainte, déformation et taux de travail (c'est-à-dire la valeur calculée/valeur limite selon la norme), ainsi que la direction des contraintes principales dans le cas des éléments en béton) sont affichés au moyen de différents graphiques où la compression est généralement présentée en rouge et la traction en bleu. Les valeurs minimales et maximales globales pour l'ensemble de la structure peuvent être mises en évidence, de même que les valeurs minimales et maximales pour chaque partie définie par l'utilisateur. Dans un onglet séparé du programme, des résultats avancés tels que les valeurs tensorielles, les déformations de la structure et les taux de ferraillage (effectif et géométrique) utilisés pour le calcul du raidissement en traction des barres d'armature peuvent être affichés. En outre, les charges et réactions pour les combinaisons ou cas de charge sélectionnés peuvent être présentées.
Analyse à l'état limite de service
Les vérifications ELS sont réalisées pour la limitation des contraintes, l'ouverture des fissures et les limites de flèche. Les contraintes sont vérifiées dans les éléments en béton et en armature selon la norme applicable, de manière similaire à ce qui est spécifié pour l'ELU.
L'analyse à l'état limite de service contient certaines simplifications des modèles constitutifs utilisés pour l'analyse à l'état limite ultime. Une adhérence parfaite est supposée, c'est-à-dire que la longueur d'ancrage n'est pas vérifiée à l'état limite de service. En outre, la branche plastique de la courbe contrainte-déformation du béton en compression est négligée, tandis que la branche élastique est linéaire et infinie. Ces simplifications améliorent la stabilité numérique et la vitesse de calcul, et ne réduisent pas la généralité de la solution tant que les limites de contrainte résultantes des matériaux à l'état limite de service sont clairement inférieures à leurs points de plastification (comme l'exigent les normes). Par conséquent, les modèles simplifiés utilisés pour l'état limite de service ne sont valables que si toutes les exigences de vérification sont satisfaites.
Calcul de l'ouverture des fissures et raidissement en traction
Calcul de l'ouverture des fissures
Il existe deux méthodes de calcul de l'ouverture des fissures - fissuration stabilisée et non stabilisée. En fonction du taux de ferraillage géométrique dans chaque partie de la structure, il est décidé quel type de modèle de calcul de fissuration sera utilisé (TCM pour la fissuration stabilisée et POM pour le modèle de fissuration non stabilisée).
Alors que le CSFM fournit un résultat direct pour la plupart des vérifications (par ex. capacité de l'élément, flèches…), les résultats d'ouverture de fissure sont calculés à partir des résultats de déformation de l'armature directement fournis par l'analyse EF, en suivant la méthodologie décrite en Fig. 20. Une cinématique de fissuration sans glissement (ouverture pure de la fissure) est considérée (Fig. 20a), ce qui est cohérent avec les principales hypothèses du modèle. Les directions principales des contraintes et des déformations définissent l'inclinaison des fissures (θr = θs= θe). Selon la (Fig. 20b), l'ouverture de fissure (w) peut être projetée dans la direction de l'armature (wb), ce qui conduit à :
où θb est l'inclinaison de la barre.
Veuillez noter que le programme affiche les valeurs de θr et θb < π/2. Cela signifie que l'équation précédente fonctionne pour les cas où l'armature et la fissure traversent des quadrants différents du système de coordonnées cartésien, comme montré en Fig. 20, où l'armature traverse les quadrants I et III et la fissure les quadrants II et IV. Pour les cas où l'armature et la fissure traversent les mêmes quadrants, l'équation doit être modifiée comme suit :
La composante wb est systématiquement calculée sur la base des modèles de raidissement en traction en intégrant les déformations de l'armature. Pour les régions présentant des schémas de fissuration entièrement développés, les déformations moyennes calculées (em) le long des barres d'armature sont directement intégrées le long de l'espacement des fissures (sr), comme indiqué en (Fig. 20c). Bien que cette approche de calcul des directions de fissuration ne corresponde pas à la position réelle des fissures, elle fournit néanmoins des valeurs représentatives conduisant à des résultats d'ouverture de fissure qui peuvent être comparés aux valeurs d'ouverture de fissure requises par la norme à la position de l'armature.
Des situations particulières sont observées aux angles concaves de la structure calculée. Dans ce cas, l'angle prédéfinit la position d'une fissure unique qui se comporte de manière non stabilisée avant que des fissures adjacentes supplémentaires ne se développent. Ces fissures supplémentaires se développent généralement après le domaine de service (Mata-Falcón 2015), ce qui justifie de calculer les ouvertures de fissure dans une telle région comme si elles étaient non stabilisées (Fig. 21).

Raidissement en traction
La mise en œuvre du raidissement en traction distingue les cas de schémas de fissuration stabilisés et non stabilisés. Dans les deux cas, le béton est considéré comme entièrement fissuré avant chargement par défaut.
Fissuration stabilisée
Dans les schémas de fissuration entièrement développés, le raidissement en traction est introduit à l'aide du Tension Chord Model (TCM) (Marti et al. 1998 ; Alvarez 1998) – Fig. 22a – dont il a été démontré qu'il fournit d'excellentes prédictions de réponse malgré sa simplicité (Burns 2012). Le TCM suppose une relation contrainte de cisaillement d'adhérence-glissement en escalier, rigide-parfaitement plastique, avec τb = τb0 =2 fctm pour σs ≤ fy et τb =τb1 = fctm pour σs > fy. En traitant chaque barre d'armature comme un tirant en traction – Fig. 22b et Fig. 22a – la distribution du cisaillement d'adhérence, des contraintes dans l'acier et le béton, et donc la distribution de déformation entre deux fissures, peut être déterminée pour toute valeur donnée des contraintes (ou déformations) maximales de l'acier aux fissures.
Pour sr = sr0, une nouvelle fissure peut ou non se former car au centre entre deux fissures σc1 = fct. Par conséquent, l'espacement des fissures peut varier d'un facteur deux, soit sr = λsr0, avec l = 0,5…1,0. En supposant une certaine valeur pour λ, la déformation moyenne du tirant (εm) peut être exprimée en fonction des contraintes maximales de l'armature (c.-à-d. les contraintes aux fissures, σsr). Pour le diagramme contrainte-déformation bilinéaire idéalisé des barres d'armature nues considéré par défaut dans le CSFM, les expressions analytiques explicites suivantes sont obtenues (Marti et al. 1998) :
où :
Esh le module d'écrouissage de l'acier Esh = (ft – fy)/(εu – fy /Es) ,
Es module d'élasticité de l'armature,
Ø diamètre de la barre d'armature,
sr espacement des fissures,
σsr contraintes de l'armature aux fissures,
σs contraintes réelles de l'armature,
fy limite d'élasticité de l'armature.
La mise en œuvre du CSFM dans Idea StatiCa Detail considère par défaut l'espacement moyen des fissures lors de l'analyse des champs de contraintes assistée par ordinateur. L'espacement moyen des fissures est considéré comme étant 2/3 de l'espacement maximal des fissures (λ = 0,67), ce qui suit les recommandations formulées sur la base d'essais de flexion et de traction (Broms 1965 ; Beeby 1979 ; Meier 1983). Il convient de noter que les calculs d'ouverture de fissure considèrent un espacement maximal des fissures (λ = 1,0) afin d'obtenir des valeurs conservatives.
L'application du TCM dépend du taux de ferraillage, et par conséquent l'attribution d'une surface de béton appropriée agissant en traction entre les fissures à chaque barre d'armature est cruciale. Une procédure numérique automatique a été développée pour définir le taux de ferraillage effectif correspondant (ρeff = As/Ac,eff) pour toute configuration, y compris l'armature inclinée (Fig. 23).

Fissuration non stabilisée
Les fissures existant dans des régions présentant des taux de ferraillage géométrique inférieurs à ρcr, c'est-à-dire la quantité minimale d'armature pour laquelle l'armature est capable de reprendre la charge de fissuration sans plastifier, sont générées soit par des actions non mécaniques (par ex. le retrait), soit par la propagation de fissures contrôlées par une autre armature. La valeur de cette armature minimale est obtenue comme suit :
où :
fy limite d'élasticité de l'armature,
fct résistance en traction du béton,
n coefficient d'équivalence, n = Es / Ec .
Pour un béton et un acier d'armature conventionnels, ρcr s'élève à environ 0,6 %.
Pour les étriers présentant des taux de ferraillage inférieurs à ρcr, la fissuration est considérée comme non stabilisée et le raidissement en traction est mis en œuvre au moyen du Pull-Out Model (POM) décrit en Fig. 22b. Ce modèle analyse le comportement d'une fissure unique en ne considérant aucune interaction mécanique entre fissures séparées, en négligeant la déformabilité du béton en traction et en supposant la même relation contrainte de cisaillement d'adhérence-glissement en escalier, rigide-parfaitement plastique, utilisée par le TCM. Cela permet d'obtenir la distribution de déformation de l'armature (εs) au voisinage de la fissure pour toute contrainte maximale de l'acier à la fissure (σsr) directement à partir de l'équilibre. Étant donné que l'espacement des fissures est inconnu pour un schéma de fissuration non entièrement développé, la déformation moyenne (εm) est calculée pour tout niveau de charge sur la distance entre les points à glissement nul lorsque la barre d'armature atteint sa résistance en traction (ft) à la fissure (lε,avg en Fig. 22b), ce qui conduit aux relations suivantes :
Les modèles proposés permettent le calcul du comportement de l'armature adhérente, qui est finalement pris en compte dans l'analyse. Ce comportement (incluant le raidissement en traction) pour l'acier d'armature européen le plus courant (B500B, avec ft / fy = 1,08 et εu = 5 %) est illustré en Fig. 22c-d.
