Atelier Connexions - Étude de cas 1

Bouwen met Staal, en collaboration avec le TC10, a organisé un atelier sur les connexions pour les ingénieurs structurels à Kampstaal dans l'Emmeloord.

Les équipes étaient composées d'ingénieurs structurels issus de bureaux d'études et de fabricants d'acier, et chacune était guidée par un concepteur de connexions expérimenté. Après que les groupes ont présenté leur projet, IDEA StatiCa a eu l'occasion de modéliser les connexions à l'aide de l'application Connection. De cette manière, nous avons pu immédiatement analyser les résultats et en discuter ensemble.

Nous expliquons les conceptions et les résultats plus en détail ci-dessous. Dans ce premier article, nous nous concentrons sur l'étude de cas 1, dans laquelle les ingénieurs ont reçu la tâche suivante.

Étude de cas 1

Dans la première étude de cas, nous avons examiné un nœud où quatre barres se rejoignent. En raison de la nature des forces internes et des profils, ce problème de conception ne s'est pas avéré simple, comme en témoigne la diversité des solutions proposées : les six équipes ont chacune proposé une approche unique. C'est exactement ce qui rend ce métier si fascinant : il n'y a jamais qu'une seule bonne solution.

Le plus grand défi s'est posé au niveau de la connexion des barres de rive. Deux tubes rectangulaires (180/180/6) devaient être reliés à un poteau (HEA160) ou à une poutre de rive (IPE400). Combiné aux charges imposées, cela a créé une situation de conception difficile.

Vous trouverez ci-dessous un aperçu des connexions, des croquis et des modèles élaborés dans IDEA StatiCa. Nous discutons ensuite de chaque connexion et mettons en évidence les points clés des discussions et des résultats.

Groupe A

Le groupe A a choisi de poursuivre la colonne et de connecter la poutre de toit (IPE400) avec une plaque de tête. Le défi consistait principalement à connecter les barres de rive au poteau HEA160. Pour cela, une connexion par plaque à lèvres avec deux boulons M36 a été proposée. Cependant, lors de la modélisation dans IDEA StatiCa, il est rapidement apparu qu'il n'y avait pas assez d'espace pour cette taille de boulon. Comme l'ont souligné les experts du TC10, il est essentiel de dessiner à l'échelle pour comprendre la faisabilité d'un assemblage.

Le groupe a délibérément choisi de prolonger la plaque d'esquisse à travers une fente dans le corps de la colonne pour mieux transférer les forces et réduire les contraintes dans le corps.

Lors du calcul de la connexion dans IDEA StatiCa, d'importantes déformations plastiques apparaissent dans la connexion des tubes. En raison de la force de compression axiale élevée de 400 kN dans les barres de rive et d'une excentricité dans le gousset, un moment de flexion apparaît dans la connexion. Dans IDEA StatiCa, ce moment devient rapidement visible à travers les déformations qui se produisent.

En augmentant l'épaisseur des tôles, l'assemblage peut répondre aux exigences. Une plaque continue de 35 mm et deux boulons M33 8.8 permettent d'obtenir une résistance et une rigidité suffisantes.

Dans ces exemples, nous avons choisi de laisser le type de modèle pour les barres de rive à N-Vy-Vz-Mx-My-Mz. Cela peut conduire à des résultats conservateurs, mais il s'agit toujours d'une sécurité. Les utilisateurs expérimentés d'IDEA savent qu'il est possible de changer le type de modèle en N-Vy-Vz, auquel cas on suppose que la barre est supportée à l'extrémité et que les moments sont enregistrés à cet endroit. Cela peut donner des résultats plus réalistes, mais aussi conduire à des résultats potentiellement trop favorables, en fonction de la longueur réelle de la barre et de l'aspect de la connexion de l'autre côté.

Si l'utilisateur souhaite optimiser davantage l'épaisseur des plaques pour un joint excentrique, il est recommandé d'utiliser l'application Member. Celle-ci modélise l'ensemble de la poutre, y compris la longueur réelle et les connexions, et simule de manière plus réaliste le comportement des connexions en termes de contrainte-déformation et de flambement global.

Pour plus d'informations à ce sujet, lisez cet article : Aperçu des contraintes, de la longueur de la poutre et de l'analyse GMNA vs MNA | IDEA StatiCa

Groupe B

Le groupe B avait une connexion similaire, mais ici la poutre de toit a été prolongée. En choisissant une connexion symétrique des barres de rive, le moment de flexion supplémentaire est évité. Avec les épaisseurs de tôle prescrites, nous tombons à peine en dessous de 5% de déformation plastique.

En épaississant les plaques, la combinaison de la force de compression axiale et de la force de cisaillement horizontale peut être résistée et la déformation plastique reste inférieure à 5%.

Seuls les boulons ne sont toujours pas satisfaisants lorsque l'on utilise 4x M24 8.8. Cependant, le simple fait de renforcer les boulons ne résout pas le problème, car les essais sont limités par la résistance à la poussée. Une solution alternative consiste à augmenter la nuance d'acier des plaques de connexion à S355. Ainsi, en minimisant l'épaisseur des plaques et la taille des boulons, il est possible d'obtenir des résultats optimaux.

Groupe C

Le groupe C présente un assemblage similaire, mais contrairement aux groupes A et B, il convient mieux à une charge horizontale, car la plaque d'esquisse est tournée d'un quart de tour. Nous avons de nouveau affaire à une excentricité et nous rencontrons les mêmes problèmes que dans le groupe A. L'utilisation de 4 boulons au lieu de 2 rend l'assemblage plus rigide, mais nous constatons toujours une déformation plastique et une déformation élevées. Le soudage de la plaque de tête et l'augmentation de l'épaisseur des plaques contribuent à rendre l'articulation plus rigide, mais l'excentricité sera toujours présente.

En augmentant l'épaisseur des plaques de 15 mm à 30 mm, l'articulation peut répondre aux exigences de conception avec 4 boulons M24 8.8.

Si une excentricité est inévitable en raison d'exportations pratiques, l'articulation sera particulièrement performante pour transférer une force transversale dans une direction, dans la direction où l'articulation est la plus rigide. La combinaison d'une excentricité avec une force de compression normale importante et une force transversale dans la direction faible de l'assemblage entraîne la déformation de la barre et augmente la probabilité de flambement.

Analyse du flambage

Pour évaluer correctement ce risque, il est judicieux d'effectuer un calcul de flambement supplémentaire. Avec l'application Connection, une analyse de flambement linéaire peut être effectuée, ce qui montre que pour des épaisseurs de plaques trop fines, une forme de flambement peut se produire qui peut être classée comme flambement global.

Pour plus d'informations sur ce sujet et sur la manière dont IDEA StatiCa effectue une analyse de flambage linéaire, voir l'article suivant. Flambage global vs. flambage local. Ce que cela signifie | IDEA StatiCa

Groupe D

Le groupe D adopte une approche différente et les problèmes observés dans les trois premiers groupes sont immédiatement évités en continuant la barre de rive. L'IPE400 est connecté au poteau partiellement continu avec une plaque de tête et à la barre de rive avec une petite plaque à lèvre. Les résultats montrent que la connexion est constructive et que les forces sont transmises efficacement.

Le groupe recommande un trou oblong dans la plaque à lèvres pour éviter qu'une force trop importante ne soit transmise par le boulon lorsque la poutre pivote. Cela permet d'éviter les contraintes élevées dans la plaque à lèvres et la paroi du caisson. Cette considération de conception affecte également la rigidité en rotation de l'assemblage.

Analyse de la rigidité

Pour déterminer la rigidité exacte du joint, une analyse de rigidité peut être effectuée avec IDEA StatiCa. Le diagramme moment-rotation est généré et, sur base de l'Eurocode, l'articulation peut être classée comme totalement rigide, flexible ou goupillée.

Si nous analysons la connexion de la poutre de toit pour le groupe D, IDEA StatiCa donne une rigidité de rotation qui est considérée comme flexible. Cette rigidité peut être modélisée dans le modèle structurel global par un ressort de rotation.

Cependant, si une connexion articulée est nécessaire, le détail doit être ajusté pour que la connexion soit effectivement classée comme articulée . Comme le montre la figure ci-dessous, dans la situation (2), une charnière a été réalisée en abaissant la rangée de boulons supérieure.

Groupe E

Le groupe E a étendu la poutre de toit et l'a placée sur la colonne. Les barres de rive ont été fixées à la poutre de toit à l'aide de plaques d'extrémité, ce qui garantit que les forces sont correctement transmises dans l'articulation.

Pour permettre le montage des boulons, le groupe a proposé une découpe dans la section du caisson. Il s'agit d'une solution réfléchie, car l'aspect pratique est une préoccupation majeure. La découpe crée une distribution différente des contraintes dans le tube, mais en appliquant une découpe ronde, les concentrations de contraintes restent limitées.

Groupe F

Comme nous l'avons vu, la connexion des barres de rive pose des problèmes de conception. Le groupe F résout ces problèmes en remplaçant les barres de rive par des sections HEA160. Cela facilite la connexion des poutres au poteau et offre suffisamment d'espace pour le montage des boulons. La connexion fonctionne bien sous pression et les plaques de tête canalisent efficacement les forces dans la colonne.

Cependant, les barres de rive peuvent également être soumises à une charge de traction de 400 kN. Dans ce cas de charge, la connexion n'est pas satisfaisante. En augmentant l'épaisseur des plaques de tête de 15 mm à 20 mm, les exigences de résistance sont satisfaites et la connexion est adaptée aux charges de traction et de compression.

Le mot de la fin

L'assemblage en acier du cas 1 a été conçu par 6 groupes, modélisé dans IDEA StatiCa et discuté avec des ingénieurs structurels expérimentés. Nous avons pu analyser les résultats à l'aide d'IDEA StatiCa, ce qui a révélé un certain nombre de problèmes. Cet atelier a montré que de nombreuses connexions peuvent être conçues d'un nombre infini de façons et qu'il n'y a jamais une seule bonne solution. Nous avons constaté qu'il est important de dessiner à l'échelle et de suivre la trajectoire des forces dans la connexion. L'analyse des rigidités et la visualisation de la déformation de l'assemblage constituent une bonne expérience de pensée pour comprendre le comportement d'un assemblage.

"L'imagination est plus importante que la connaissance", a dit un jour Albert Einstein. Et cela s'applique certainement aussi à la conception des joints en acier. Quiconque est capable d'imaginer l'aspect d'un joint, sa fabrication, ses proportions, l'écoulement des forces et sa déformation a déjà fait un pas en avant pour devenir le meilleur concepteur de joints.

Dans le prochain article, nous examinerons l'étude de cas n° 2, dans laquelle il a été demandé à des ingénieurs de concevoir une connexion de pied de poteau avec un contreventement.