L’assemblages métalliques

ASSEMBLAGES METALLIQUES

L’utilisation des structures en acier boulonnées est très populaire dans la construction, en raison de la capacité d’assemblage rapide de la structure. Dans ces structures, les assemblages sont des éléments critiques et par conséquent, une compréhension de leur comportement est particulièrement importante. En Europe, la conception des assemblages métalliques est réglementée par Eurocode 3, qui fournit des spécifications pour les éléments soudés et boulonnés. En particulier, Eurocode suggère l’utilisation d’un Tronçon en T équivalent en traction afin de modéliser l’assemblage. Dans ce chapitre, nous allons présenter les différentes formes d’assemblages répandues en construction métallique, ainsi que la classification des assemblages. Nous allons également analyser le comportement et le fonctionnement des tronçons en T qui constituent des composantes majeures dans la zone tendue des assemblages soumis à la flexion. Par la suite, nous allons, dans un premier temps, donner les formules qui permettent de calculer la rigidité, la résistance et les efforts internes d’un tronçon en T, et dans un deuxième temps, nous effectuons des analyses qualitatives de leur sensibilité à l’évolution de la position de la force de levier résultante. Enfin, nous allons établir le calcul analytique des trois profilés (IPE300, HEA260 et HEA300) comprenant le moment résistant plastique, la résistance à la traction afin d’obtenir la rigidité initial, ainsi leurs forces élastique.

La caractéristique essentielle des constructions métalliques est d’être composées d’un ensemble d’éléments barres « Poutre-Poteau » constitués de profilés laminés ou soudés souvent en forme de (I ou de H) et qu’il faut assembler entre eux pour constituer l’ossature. Les liaisons entre ces différents éléments représentent ce qu’on appelle communément « Assemblages ». Ces derniers constituent des composants spécifiques à la construction métallique. Ils jouent un rôle très important de liaison. Ils permettent de réunir et de solidariser plusieurs éléments entre eux tout en 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.

Fonctionnement du tronçon en T Le tronçon en T offre la possibilité de traduire la courbe force-déplacement de chaque composante. Le modèle est utilisé dans le domaine élastique (calcul de la rigidité) et le domaine plastique (calcul de la résistance). Les règles de calcul sont fournies dans l’approche de l’Eurocode 3. Dans un assemblage boulonné par platine, le moment de flexion est transmis sous forme de couple. Ainsi, il est d’usage d’admettre que les efforts dus au moment de flexion sont concentrés dans l’axe des semelles de la poutre assemblée. En l’absence de l’effort tranchant et de l’effort normal dans la poutre, les efforts dus au moment de flexion sont égaux. Les efforts dus au moment de flexion sont des efforts de traction et de compression. L’effort de traction se développe dans la semelle supérieure de la poutre assemblée tandis que l’effort de compression agit au niveau de la semelle inférieure. Ainsi, les boulons supérieurs sont soumis à la traction. La compression est transmise par contact direct entre la semelle de la poutre assemblée et la semelle adjacente du poteau. L’effort de traction transmis par la semelle supérieure de la poutre développe des efforts de traction dans les boulons qui permettent d’assembler la platine d’extrémité à la semelle du poteau. L’effort de traction dans les boulons induit une flexion dans la platine d’extrémité. Dans les domaines élastique et plastique, l’effort de chaque boulon peut transmettre de la poutre assemblée au poteau adjacent est conditionné par la platine d’extrémité, par ces boulons mêmes ou par la combinaison des deux.

Travaux de “Minas E. Lemonis and Charis J. Gantes 2006 » [6] Un modèle analytique incrémental est proposé pour la prédiction de la courbe force déplacement d’un assemblage en T. Ce modèle est conçu dans un programme informatique plutôt que sur le calcul manuel. Les tests qu’ils ont utilisés sont ceux de Tronçons T1 et T2 menés par [8].qu’ils sont aussi modélisés par simulation d’éléments finis 3D réalisée avec ADINA v.8 [ADINA 2004]. Pour la rigidité initiale T1, La gamme de genoux est plus nette dans le modèle proposé ainsi que dans le Modèle 3D à éléments finis. Pour T2, la courbe du modèle proposé est assez proche de l’élément fini 3D. La force axiale pour le boulon donné par son modèle est comparé aux résultats des éléments finis 3D pour les deux tests. Le modèle proposé semble très performant dans ce contexte, compte tenu notamment de la méthode simplifiée pour inclure la contribution du boulon, par rapport à la méthode des éléments finis plus complexe. Pour l’étude paramétrique, ils ont pris 12 tronçons avec des différentes caractéristiques géométriques et ils ont utilisés cinq éléments finis, Le chargement a été appliqué par des déplacements prescrits sur la surface supérieure de l’âme.

La courbe analytique correspond étroitement à celle numérique

Les caractéristiques de la rigidité initiale, de la force ultime et du déplacement final sont prédites dans une marge d’erreur assez étroite. Pour le déplacement ultime, qui est La caractéristique la plus difficile à calculer de manière analytique, l’erreur maximale ne dépasse pas 30% pour l’un des Tronçons et est beaucoup plus faible pour la plupart d’entre eux. Ce modèle offre plusieurs avantages dans ce contexte, l’efficacité du modèle s’est révélée très satisfaisante dans les évaluations comparant les résultats expérimentaux et numériques. Globalement, le modèle proposé constitue un outil précieux pour l’estimation du comportement de Tronçon en T, produisant des résultats comparables à des approches beaucoup plus complexes et coûteuses telles que 3D fini Analyse des éléments.

DÉVELOPPEMENT D’UN MODÈLE NUMÉRIQUE POUR l’ASSEMBLAGE EN T

Nous développons un modèle basé sur la méthode des éléments finis pour un tronçon en T de façon à évaluer : son comportement global force-déplacement ainsi que le comportement des boulons. Le modèle éléments finis est validé sur la base de résultats expérimentaux. Dans ce contexte, une comparaison entre les modèles analytique, numérique et expérimental est effectuée en considérant des tronçons avec des configurations différentes. Cette comparaison permet d’évaluer le modèle analytique simplifié retenu par l’Eurocode 3 et d’utiliser la modélisation la plus simple. Un modèle numérique 3D en utilisant le logiciel CASTEM 2016 est ainsi réalisé. Pour avoir les mêmes bases de comparaison, nous considérons les démarches retenues par les autres études numériques auxquelles nous faisons référence, et en particulier la plasticité, les grands déplacements et le contact unilatéral. Les résultats des différentes simulations sont comparés sur la base des courbes globales (F-δ), des courbes d’évolution de l’effort de traction dans le boulon et de la force de levier qui ne sont pas faciles à mesurer expérimentalement.

CONCLUSION GENERALE

Le comportement d’un assemblage d’une poutre à un poteau (ou poteau à une semelle de fondation) est extrêmement complexe en utilisant la méthode des composante ; une méthode utilisée dans l’Eurocode 3 et plus particulièrement pour les assemblages semi-rigides. Cette méthode qui repose sur la modélisation d’un assemblage en éléments de tronçons en T qui caractérisent la zone tendue est adoptée pour un calcul manuel que l’on désigne par « Méthode analytique » ou par éléments finis. Le travail qui a été mené dans ce projet de fin d’études consisté à modéliser sur le logiciel CASTEM des assemblages en T issus des essais expérimentaux et de les comparer avec la littérature. Le calcul d’un tronçon en T peut se faire à la main par la méthode analytique qui est développée dans L’Eurocode 3, soit par des essais ou par éléments finis. C’est cette dernière qui a représenté l’essentiel de notre travail. Cette étude numérique sur plusieurs exemples qu’ils soient par boulons ordinaires ou précontraints et avec des configurations géométriques variées du tronçon en T a était menée. La comparaison des rigidités des tronçons en T a montré que la formule de l’Eurocode 3 « Méthode analytique » doit être plus raffinée pour qu’elle s’adapte mieux aux résultats numériques et expérimentaux. La comparaison des résultats avec des boulons ordinaires et précontraints montrent que l’influence de la précontraint est significative dans la phase élastique où la rigidité initiale est beaucoup plus importante que pour le cas non précontraint. L’ensemble des résultats des rigidités initiales pour ces deux types d’assembleur sont plus proches de ceux obtenus par la formule de l’Eurocode 3 pour tronçon en T.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : ASSEMBLAGES METALLIQUES
1 Introduction
1.1 Définition et rôle d’un assemblage
1.2 Déférentes formes d’assemblages rencontrés en construction métallique
•1.2.1 Assemblages poutre-poteau par platine d’extrémité
•1.2.2 Assemblage poutre-poteau par cornières d’âme et/ou de semelles
•1.2.3 Assemblages de continuité de poutres ou de poteaux
•1.2.4 Assemblages pied du poteau
1.3 Classification des assemblages
2 Comportement de la zone tendu (tronçon en t)
2.1 Conception du Tronçon en T
2.2 Fonctionnement de tronçon en T
•2.2.1 Rigidité axiale du tronçon en T
•2.2.2 Résistance en traction du tronçon en T
•2.2.3 Longueur efficace du tronçon en T
3 Exemples d’application
3.1 IPE300
•3.1.1 Calcul de résistance des tronçons en T
3.1.1.2 Le moment résistant plastique
3.1.1.2 La résistance de calcul à la traction
3.1.1.3 Résistance de la semelle du tronçon en té (3modes de ruine)
•3.1.2 Calcul de rigidité
•3.1.3 Force de Levier
•3.1.4 Force élastique
3.2HEA 260
•3.2.1 Calcul de résistance
3.2.1.1 Le moment résistant plastique
3.2.1.2 La résistance de calcul à la traction d’un boulon
3.2.1.3 Résistance de la semelle du tronçon en té (3modes de ruine)
•3.2.2 Calcul de rigidité
•3.2.3 Force de Levier
•Force élastique
3.3 HEA300
•3.3.1 Calcul de résistance
3.3.1.1 Le moment résistant plastique
3.3.1.2 La résistance de calcul à la traction d’un boulon
3.3.1.3 Résistance de la semelle du tronçon en T (3modes de ruine)
•3.3.2 Calcul de rigidité
•3.3.3 Force de Levier
•3.3.4 Force élastique
4 Conclusion
Chapitre II : ETAT ACTUEL SUR LES ASSEMBLAGES EN T
1 Introduction
2 Travaux de « O. S. Bursi a & J. P. Jaspart b 1997 »
2.1 Introduction
2.2 Conclusion
3 Travaux de “Minas E. Lemonis and Charis J. Gantes 2006 »
3.1 Introduction
3.2 Conclusion
4 Travaux de “ZhenyuWang, Jinfan Zhang and Jianqun Jiang 2016 »
4.1 Introduction
4.2 Conclusion
Chapitre III : MODES D’ASSEMBLAGES
1 Introduction
2 Définition d’un boulon
2.1 Caractéristiques géométriques et mécaniques des boulons
•Caractéristiques Géométriques
•Caractéristiques Mécaniques
2.2 Formes et dimensions
2.3 La fabrication
2.4 Représentation symbolique
2.5 Désignation d’un boulon
2.6 Longueurs de tiges nécessaires
3 Procédés d’exécution
4 Dispositions constructives réglementaires
5 Sollicitations des boulons
6 Résistance de calcul des boulons ordinaires
6.1 Résistance au cisaillement
6.2Pression diamétrale
6.3 Résistance à la traction
6.4 Résistance au Poinçonnement
7 Boulons ordinaires
7.1 Principe de Fonctionnement
•7.1.1 La force de précontrainte
7.1.1.1 Mise en oeuvre de la force de précontrainte
7.1.1.2 Le couple de serrage
7.1.1.3 La méthode du tour d’écrou
7.1.1.4 La méthode par rondelles de mesures
•7.1.2 L’état de surface des pièces en contact
•7.1.3 la forme et la dimension de trous
•7.1.4 Le nombre de plan de contact
7.2 Résistance du boulon
•7.2.1 Résistance au glissement d’un boulon précontraint
•7.2.2 Résistance à la traction d’un boulon précontraint
7.2.2.1 Boulons soumis à des efforts combines de traction et de cisaillement
8 Conclusion
Chapitre IV : MODÉLISATION D’UN ASSEMBLAGE EN T
1 Introduction
1.1 Présentation de logiciel de calcul
•1.1.1 Organisation d’un calcul
1.1.1.1 Choix de la géométrie et du maillage
1.1.1.2 Définition du modèle mathématique
•1.1.2 Résolution du problème discrétisé
•1.1.3 Analyse et post-traitement des résultats
2 Développements d’un modèle numérique pour l’assemblage en T
2.1 Données géométriques
•2.1.1 Propriétés matérielles
•2.1.2 Maillage
3 Analyse des résultats
3.1 Etude sans précontrainte
•3.1.1 Réponses globales (force-déplacement)
•3.1.2 Comparaison des résultats numériques et expérimentaux avec l’approche
« Eurocode3 »
•3.1.3 Comportement du boulon
3.2 Étude avec Précontrainte
3.2.1 Effet de la précontrainte
4 Conclusion
Conclusion générale
Référence bibliographique
Annexe

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