Assemblage de moment à l'about d'un portique soudé

Description

Dans ce chapitre, la méthode des éléments finis basée sur les composantes (CBFEM) pour un assemblage de moment à l'about d'un portique soudé est vérifiée par rapport à la méthode des composantes (MC). Une poutre à section ouverte est soudée à un poteau à section ouverte. Le poteau est raidi par deux raidisseurs horizontaux en regard des semelles de la poutre. Les plaques comprimées, par exemple les raidisseurs horizontaux du poteau, le panneau d'âme du poteau en cisaillement, la semelle comprimée de la poutre, sont limitées à la classe 3^rd pour éviter le flambement. La membrure est chargée par un effort tranchant et un moment fléchissant.

Modèle analytique

Cinq composantes sont examinées dans l'étude, à savoir le panneau d'âme en cisaillement, l'âme du poteau en compression transversale, l'âme du poteau en traction transversale, la semelle du poteau en flexion et la semelle de la poutre en compression. Toutes les composantes sont dimensionnées conformément à EN 1993-1-8:2005. Les soudures d'angle sont dimensionnées de manière à ne pas être la composante la plus faible de l'assemblage. L'étude de vérification d'une soudure d'angle dans un assemblage poutre-poteau raidi est présentée au chapitre 4.4.

Panneau d'âme en cisaillement

L'épaisseur de l'âme du poteau est limitée par l'élancement pour éviter les problèmes de stabilité ; voir EN 1993‑1‑8:2005, Art. 6.2.6.1(1). Un panneau d'âme de poteau de classe 4 en cisaillement est étudié au chapitre 6.2. Deux contributions à la capacité portante sont prises en compte : la résistance du panneau du poteau en cisaillement et la contribution du mécanisme 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 transversale

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

Âme du poteau en traction transversale

L'effet de l'interaction avec l'effort tranchant est pris en compte ; voir EN 1993-1-8:2005, Art. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Les raidisseurs horizontaux sont inclus dans la capacité portante de cette composante.

Semelle du poteau en flexion

Les raidisseurs horizontaux contreventent la semelle du poteau ; cette composante n'est pas prise en compte.

Semelle de la poutre en compression

La poutre horizontale est dimensionnée en section de classe 3 ou meilleure pour éviter le flambement.

Un aperçu des exemples considérés et des matériaux est donné dans le Tab. 9.1.1. La géométrie de l'assemblage avec les dimensions est représentée sur la Fig. 9.1.1. Les paramètres considérés dans l'étude sont la section transversale de la poutre, la section transversale du poteau et l'épaisseur du panneau d'âme du poteau.

Tab. 9.1.1 Aperçu des exemples

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Géométrie et dimensions de l'assemblage}}}\]

Modèle numérique

L'état du matériau élastique-plastique non linéaire est examiné dans chaque couche d'un point d'intégration. L'évaluation est basée sur la déformation maximale donnée conformément à EN 1993-1-5:2006 par la valeur de 5%. 

Comportement global

La comparaison du comportement global d'un assemblage de moment de portique, décrit par le diagramme moment-rotation, est présentée. Les principales caractéristiques du diagramme moment-rotation sont la rigidité initiale, la résistance élastique et la résistance de calcul. Une poutre à section ouverte IPE 330 est soudée à un poteau HEB 260 dans l'exemple. Un assemblage de moment de portique avec des raidisseurs horizontaux dans le poteau est considéré selon la méthode des composantes comme un assemblage rigide avec S_j,ini = ∞. Par conséquent, un assemblage sans raidisseurs horizontaux dans le poteau est analysé. Le diagramme moment-rotation est représenté sur la Fig. 9.1.2, et les résultats sont résumés dans le Tab. 9.1.2. Les résultats montrent un très bon accord en termes de rigidité initiale et de comportement global de l'assemblage.

Tab. 9.1.2 Rigidité en rotation d'un assemblage de moment de portique en CBFEM et MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Diagramme moment-rotation pour un assemblage sans raidisseurs de poteau}}}\]

Vérification de la résistance

Les résultats calculés par CBFEM sont comparés à la méthode des composantes (MC). La comparaison est axée sur la résistance de calcul et la composante critique. L'étude est réalisée pour trois paramètres différents : la section transversale de la poutre, la section transversale du poteau et l'épaisseur du panneau d'âme du poteau.

Un poteau à section ouverte HEB 260 est utilisé dans un exemple où le paramètre est la section transversale de la poutre. Le poteau est raidi par deux raidisseurs horizontaux d'épaisseur 10 mm en regard des semelles de la poutre. La largeur des raidisseurs correspond à la largeur de la semelle de la poutre. Les sections IPE de la poutre sont sélectionnées de IPE 140 à IPE 500. Les résultats sont présentés dans le Tab. 9.1.3. L'influence de la section transversale de la poutre sur la résistance de calcul d'un assemblage de moment de portique soudé est représentée sur la Fig. 9.1.4. Les composantes critiques en CBFEM étaient les semelles de la poutre, la semelle du poteau et l'âme du poteau. La Fig. 9.1.3 montre le modèle d'un des exemples avec la description des semelles. 

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Modèle avec description des semelles}}}\]

Tab. 9.1.3 Résistances de calcul et composantes critiques en CBFEM et MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Étude de sensibilité de la taille de la poutre dans un assemblage de moment de portique}}}\]

Une poutre à section ouverte IPE330 est utilisée dans un exemple où le paramètre est la section transversale du poteau. Le poteau est raidi par deux raidisseurs horizontaux d'épaisseur 10 mm en regard des semelles de la poutre. La largeur des raidisseurs correspond à la largeur de la semelle de la poutre. La largeur combinée des raidisseurs est de 160 mm. Les sections de poteau sont sélectionnées de HEB 160 à HEB 500. Les résultats sont présentés dans le Tab. 9.1.4. L'influence de la section transversale du poteau sur la résistance de calcul d'un assemblage de moment de portique soudé est représentée sur la Fig. 9.1.5.

Tab. 9.1.4 Résistances de calcul et composantes critiques d'un assemblage de moment en CBFEM et MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Étude de sensibilité de la taille du poteau dans un assemblage de moment de portique}}}\]

Le troisième exemple présente un assemblage de moment de portique constitué d'une poutre à section ouverte IPE 330 et d'un poteau HEA 320. Le paramètre est l'épaisseur de l'âme du poteau. Le poteau est raidi par deux raidisseurs horizontaux d'épaisseur 10 mm et de largeur 160 mm. L'épaisseur de l'âme du poteau est choisie de 4 à 16 mm. Les résultats sont résumés dans le Tab. 9.1.5. L'influence de l'épaisseur de l'âme du poteau sur la résistance de calcul d'un assemblage de moment de portique soudé est représentée sur la Fig. 9.1.6.

Tab. 9.1.5 Résistances de calcul et composantes critiques d'un assemblage de moment en CBFEM et MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Étude de sensibilité de l'épaisseur de l'âme du poteau}}}\]

Pour illustrer la précision du modèle CBFEM, les résultats des études paramétriques sont résumés dans un diagramme comparant les résistances du CBFEM et de la méthode des composantes ; voir Fig. 9.1.7. Les résultats montrent que la différence entre les deux méthodes de calcul est inférieure à 5 %, ce qui est une valeur généralement acceptable. L'étude avec le paramètre d'épaisseur de l'âme du poteau donne une résistance plus élevée pour le modèle CBFEM par rapport à la méthode des composantes. Cette différence est due à la prise en compte des sections soudées. Le transfert de l'effort tranchant est considéré dans la méthode des composantes uniquement dans l'âme, et la contribution des semelles est négligée.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Vérification du CBFEM par rapport à la MC}}}\]

Exemple de référence

Données d'entrée

Poteau

• Acier S235
• HEB260

Poutre

• Acier S235
• IPE330

Raidisseurs du poteau

• Épaisseur t_s = 19 mm
• Largeur 80 mm
• En regard des semelles de la poutre

Soudure

• Semelle de la poutre : épaisseur de gorge de la soudure d'angle a_f  = 8 mm
• Âme de la poutre : épaisseur de gorge de la soudure d'angle a_w  = 8 mm
• Soudure bout à bout autour des raidisseurs

Résultats

• Résistance de calcul en flexion M_Rd = 146 kNm
• Composante critique : Semelle de poutre 1

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Exemple de référence}}}\]