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Type d’assemblage poteau-poutre
Définition et rôle de l’assemblage
Un assemblage en construction métalliques est un dispositif qui permet de réunir et de solidariser plusieurs pièces entre elles en assurant la transmission et la répartition des diverses sollicitation entre les pièces.
La caractéristique essentielle des constructions métalliques est d’être composées d’un ensemble d’éléments barres (poteaux- poutres) constitués de profilés laminés ou soudés souvent en forme de (I ou de H) qu’il faut assemblés entre eux pour constituer l’ossature.
Les liaisons entre ces différents éléments représentent ce qu’on appelle communément les assemblages. Ces derniers constituent des composants spécifiques à la construction métallique, ils jouent un rôle très important, on peut les définir comme organes de liaison qui permettent de réunir et de solidariser plusieurs éléments entre eux, on assurant la transmission et la répartition des diverses sollicitations entre les éléments assemblés, sans générer d’efforts parasites. Un assemblage mal conçu, mal calculé ou mal réalisé peut conduire à l’effondrement de la structure. De ce fait la conception et le calcul des assemblages est d’une importance capitale.
Différents modes d’assemblages
Les assemblages actuellement utilisés en construction métallique peuvent être classés en deux grandes rubriques :
Ceux qui permettent la transmission d’efforts par contact mécanique, que nous rassemblons sous la dénomination d’assemblages mécaniques ;
Ceux qui assurent une continuité du métal aux joints et qui consistent en divers procédés de soudage (toujours autogène).
Des procédés faisant intervenir une cohésion entre matériaux hétérogènes (brasages, collages, etc.) ne sont pas actuellement utilisés, sinon expérimentalement, en construction métallique.
Le premier type de procédé dit mécanique , présente en général l’avantage d’une démontabilité facile (boulons) ou un peu moins facile (rivets), avec récupération intégrale des composants initiaux; par contre, ils conduisent le plus souvent à des concentrations d’efforts au droit des contacts mécaniques, qui obligent souvent à étaler l’assemblage avec interposition de pièces annexes (couvre-joints, cornières, fourrures, etc.) qui alourdissent sensiblement l’ossature et peuvent présenter des inconvénients pour les liaisons avec d’autres séquences de composants (second-œuvre, équipement, etc.) ou pour l’exploitation..
Courbe générale de comportement moment-rotation
Dans les analyses structurales, un assemblage poutre-poteau particulier peut être souvent modélisé au moyen d’un ressort en rotation placé au point d’intersection entre les axes de la poutre et du poteau.
L’utilisation de ce type de courbes demande des programmes d’analyse de structures sophistiqués. Afin de permettre un calcul simple des structures, les courbes moment-rotation des assemblages peuvent être idéalisées, selon l’EC3, par des modèles tri linéaires, bilinéaires ou linéaires. Pour un assemblage métallique de type poutre-poteau, les réponses élastique et inélastique sous des forces monotonement croissantes sont complètement définies par la courbe moment M – rotation φ, où M représente le moment fléchissant exercé sur l’assemblage par la poutre et φ la rotation totale enregistrée entre les axes du poteau et de la poutre. Cette courbe de comportement se présente avec trois branches : une branche ascendante, une branche plus horizontale de plastification et une branche descendante.
Comportement des assemblages métalliques en zone sismique
En raison de la complexité topologique des assemblages et d’un grand nombre de mécanismes de comportement possible, le comportement cyclique peut varier de manière significative même dans le même type d’assemblage .Le développement de séquences des mécanismes de rendement peut aussi affecter la capacité de rotation d’assemblages en raison de l’interaction entre les composants. Les valeurs de rigidité initiale, de moments maximum, et de rotations ultimes ont été données pour chaque spécimen, y compris les boucles d’hystérésis complètes. Les cycles d’hystérésis affichent des différents niveaux de dégradation, résultant de glissement des boulons et des déformations plastiques au niveau les trous de boulons, ainsi que la dégradation de la rigidité. Les modes de défaillance pour les assemblages ont été la rotation excessive causée par la plaque ou la rupture de boulons. Toutes les boucles d’hystérésis de dissipation d’énergie ont des caractéristiques correspondant à un comportement inélastique stable. Les modes de défaillance typique signalés pour l’assemblage ont été la rupture de boulons ou la rupture de la plaque d’extrémité.
Dans le cas des assemblages avec plaque à l’extrémité, les déformations en flexion de la plaque d’extrémité et les déformations axiales des boulons peuvent contribuer à la dissipation d’énergie sous chargement cyclique. Les boucles d’hystérésis moment-rotation des tests cycliques ont indiqué qu’elles pouvaient être des sources utiles de dissipation d’énergie dans une ossature en acier semi-rigide
Description d’un assemblage poteau-poutre boulonné par platine d’extrémité
Après les tremblements de terre de Northridge et Kobe , les assemblages boulonnés par plaque d’extrémité a faits l’objet d’une attention particulière parce qu’ils ont étés aptes à fournir suffisamment de capacité de dissipation de l’énergie par la ductilité et plusieurs autres avantages, ils présentent une certaine complexité et ils sont d’un usage très répondu par rapport à d’autre forme anglo-saxonne(boulonnés avec des cornières) ou soudés .
Il existe deux types d’assemblages par platine d’extrémité de base :
Assemblage par platine d’extrémité partielle : dans ce cas, la platine d’extrémité est soudée uniquement à l’âme de la poutre appuyée.
Assemblage par platine d’extrémité complète : dans ce cas, la platine d’extrémité borde la poutre appuyée sur toute sa hauteur. Elle est alors soudée à l’âme et à l’aile/aux ailes de cette dernière.
Comportement d’assemblage dans la structure globale
Depuis le tremblement de terre de 1994 à Northridge, des recherches approfondies sur la réponse sismique et la performance des différents types d’assemblage ont été effectuées. Les grandes variations dans la capacité observée par les essais expérimentaux sont probablement dues à différents mécanismes de plastification et modes de défaillance. En tant que tel, des grandes variations de résistance et de ductilité peuvent conduire à des difficultés dans la modélisation du comportement cyclique. En particulier, le comportement plastique des composants qui affectent de marinière significative le comportement cyclique. Par conséquent, la distinction entre l’énergie dissipative et l’énergie non-dissipative des composants entraîne dans la conception d’assemblages la distinction entre des mécanismes ductiles et des mécanismes fragiles. Il est également important de donner une résistance suffisante pour les composants qui sont susceptibles de présenter une rupture fragile.
Krawinkler et al .ont conclu que les assemblages en acier ont été bien adaptés pour le comportement inélastique cyclique, comme ce serait survenu lors d’un événement sismique.
Les cycles d’hystérésis résultant des essais ont été stables et reproductibles, montrant une bonne capacité de dissipation d’énergie, supérieure à ce qui était attendu d’un tremblement de terre et prouvant que l’acier de construction a été un bon matériel pour le chargement inverse répété.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Généralités
1.1 Introduction
1.2 Définition et rôle de l’assemblage
1.3 Types d’assemblages
1.4 Type d’assemblage poteau-poutre
1.5 Différents modes d’assemblages
1.5.1 Classification
1.5.2 Moyens d’assemblage
1.5.2.1 Les rivets
1.5.2.2 Les boulons
1.5.2.3 Le soudage
1.5.3 Modes de transmission des efforts
1.5.3.1 Assemblages avec déplacements
1.5.3.2 Assemblages sans déplacements
1.5.4 Combinaison de procédés différents dans un même assemblage
1.6 Caractérisation du comportement des assemblages
1.6.1 Courbe générale de comportement moment-rotation
1.6.2 Classification des assemblages
1.7 Paramètres qui caractérisent le comportement des assemblages
1.7.1 Résistance
1.7.2 Rigidité
1.7.2.1 Assemblage de type articulé
1.7.2.2 Assemblage de type rigide
1.7.2.2 Assemblage semi-rigide
1.7.3 Ductilité
1.8 Comportement des assemblages métalliques en zone sismique
1.9 Principes de conception des assemblages
1.10 Description d’un assemblage poteau-poutre boulonné par platine d’extrémité
1.11 Conclusion
Chapitre 2 : Conception des assemblages poteau poutre
2.1 Introduction
2.2 Quelques études expérimentales effectuées sur les assemblages
2.2.1 Programme Américain de recherche SAC
2.2.2 Programmes japonais de recherche
2.2.3 Programme de recherche COPERNICUS « RECOS »
2.2.4 Commentaire général
2.3 Comportement d’assemblage dans la structure globale
2.4 Facteur admissible de comportement structural
2.5 Option de principe dans la conception des assemblages poutre-poteau
2.5.1 Renforcement de l’assemblage
2.5.1.1 Moyen de renforcement
2.5.2 Conception des affaiblissements de section
2.6 Mécanismes locaux dissipatifs et non dissipatifs
2.6.1 Dissipatifs
2.6.2 Non dissipatifs
2.7 Conception des assemblages évitant la concentration des déformations plastiques
2.8 Dimension en capacité des assemblages
2.8.1 Règle générale
2.8.2 Barres forées
2.9 Conception recommandées des détails d’assemblage
2.10 Conclusion
Chapitre 3 : Phénomènes d’endommagement d’un assemblage boulonné
3.1 Introduction
3.2 Endommagement par fatigue vibratoire d’un assemblage boulonné
3.2.1 Serrage du boulon
3.2.2 Fatigue d’un boulon sous charge transversale
3.2.2.1 Notions de micro-macro glissement
3.2.2.2 Phénomène de desserrage des boulons
3.2.3 Assemblage soumis à des sollicitations cycliques en service
3.3 Fatigue oligocyclique des assemblages boulonnés
3.3.1 Courbe S N
3.3.1.1 Zone oligocyclique
3.3.1.2 Zone d’endurance limitée
3.3.1.3 Zone d’endurance illimitée
3.4 Modèle élastoplastique de l’assemblage boulonné
3.4.1 Modélisation phénoménologique
3.4.1.1 Modèle normalisé Ramberg-Osgood
3.4.1.2 Modèle polynomial de Frye et Morris
3.4.1.3 Modèle Richard-Abbott
3.4.2 Modélisation numérique 3D par éléments finis
3.5 Conclusion
Chapitre 4 : Analyse numérique des assemblages poteau poutre sous charge cyclique
4.1 Introduction
4.2 Exemple 1
4.2.1 Assemblage sous charge monotone
4.2.1.1 Configuration d’assemblage
4.2.1.2 Type d’élément fini
4.2.1.3 Propriétés des matériaux
4.2.1.4 Système de chargement et conditions aux limites
4.2.2 Résultats d’éléments finis .
4.2.3 Assemblage sous charge cyclique
4.2.3.1 Résultats d’élément fini
4.3 Exemple 2
4.3.1 Résultats d’éléments finis
4.3.1.1 Assemblage 1
4.3.1.2 Assemblage 2
4.3.1.3 Assemblage 3
4.4 Conclusion
Conclusion générale
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