Module d'apprentissage 6 : Vérification
La conception des assemblages peut être difficile à enseigner, compte tenu de la nature détaillée du sujet et du comportement fondamentalement tridimensionnel de la plupart des assemblages. Cependant, les assemblages sont d'une importance capitale, et les enseignements tirés de l'étude de la conception des assemblages, notamment le cheminement des efforts et l'identification et l'évaluation des modes de rupture, sont généraux et applicables à la conception structurelle dans son ensemble. IDEA StatiCa utilise un modèle d'analyse non linéaire rigoureux et dispose d'une interface conviviale avec un affichage tridimensionnel des résultats (par exemple, la déformée, les contraintes, les déformations plastiques) et est donc bien adapté à l'exploration du comportement des assemblages acier. S'appuyant sur ces atouts, une série d'exercices guidés utilisant IDEA StatiCa comme laboratoire virtuel pour aider les étudiants à apprendre les concepts du comportement et de la conception des assemblages acier a été développée. Ces modules d'apprentissage étaient principalement destinés aux étudiants de licence avancée et de master, mais ont également été rendus adaptés aux ingénieurs praticiens. Les modules d'apprentissage ont été développés par le Professeur associé Mark D. Denavit de l'Université du Tennessee, Knoxville.
Objectif pédagogique
Après avoir réalisé cet exercice, l'apprenant devrait être capable de comparer les résultats d'IDEA StatiCa aux méthodes traditionnelles basées sur la Spécification AISC.
Contexte
L'utilisation d'outils logiciels développés par d'autres est une nécessité pratique dans l'exercice de l'ingénierie. Pourtant, en signant un jeu de plans, un ingénieur prend la responsabilité personnelle de la conception. Même dans la situation idéale où l'ingénieur utilise un logiciel pour éclairer, et non remplacer, son jugement, l'ingénieur doit faire confiance à ces outils logiciels pour produire des résultats informatifs. Pour les simulations numériques, la vérification et la validation sont les principales méthodes pour établir et quantifier cette confiance (Oberkampf et al. 2002).
La vérification désigne le processus permettant de déterminer qu'une implémentation de modèle représente fidèlement la description conceptuelle du modèle par le développeur et la solution au modèle. La validation désigne le processus permettant de déterminer dans quelle mesure un modèle est une représentation fidèle du monde réel du point de vue des utilisations prévues du modèle.
Relations entre la réalité, un modèle conceptuel et un modèle informatisé (SCS Technical Committee on Model Credibility 1979)
Pour IDEA StatiCa, l'utilisation prévue du modèle aux éléments finis basé sur les composants (CBFEM) est celle d'un calcul de conception numérique permettant de déterminer si un assemblage est conforme aux normes et est sûr, et non nécessairement de produire des résultats aussi proches que possible du comportement attendu de l'assemblage. Des coefficients de sécurité sont incorporés et le conservatisme est toléré. Étant donné que les hypothèses de conception qui forment le modèle conceptuel d'IDEA StatiCa sont basées sur des normes de conception telles que la Spécification AISC (AISC 2022), la vérification pour IDEA StatiCa inclut des comparaisons avec la Spécification AISC. La vérification comprend également d'autres comparaisons pour s'assurer que le modèle aux éléments finis présente correctement la mécanique supposée des assemblages. La validation pour IDEA StatiCa comprend la comparaison avec les résultats d'expériences physiques.
Étant donné qu'IDEA StatiCa et la Spécification AISC ont le même objectif, une comparaison équitable peut être effectuée en examinant les charges maximales que chaque méthode permet d'appliquer à un assemblage particulier. Dans cette comparaison, la détermination des charges appliquées maximales doit être effectuée en utilisant les procédures et les paramètres qui seraient utilisés par un ingénieur en pratique. La comparaison d'IDEA StatiCa aux résultats expérimentaux pour la validation est moins directe et implique généralement la suppression des coefficients de sécurité et l'utilisation des propriétés matérielles et géométriques mesurées dans IDEA StatiCa.
En tant qu'éditeur de logiciels, IDEA StatiCa effectue une vérification et une validation approfondies de ses logiciels, comme documenté sur leur site web et dans des ouvrages (Wald et al. 2020, Denavit et al. 2024). Cependant, l'utilisateur peut également effectuer des vérifications et des validations. Ce faisant, cela contribue à renforcer la confiance dans le logiciel, les connaissances sur le CBFEM, et peut approfondir la compréhension de la résistance et du comportement des assemblages.
Le processus de vérification est analogue à l'exécution de la méthode scientifique avec une hypothèse selon laquelle le modèle produit des résultats corrects et la nécessité de tester cette hypothèse par une expérience (virtuelle). Comme pour toute expérience, la conception de la recherche est essentielle pour rendre l'expérience aussi concluante que possible. Les cas difficiles doivent être évalués, mais il est souvent préférable de commencer par des cas plus simples.
Cet exercice guide l'apprenant à travers la vérification d'IDEA StatiCa par rapport à la Spécification AISC pour les assemblages comportant des boulons en combinaison avec des soudures. Les exigences relatives aux boulons en combinaison avec des soudures sont données dans la Section J1.8 de la Spécification AISC. Cette section comprend une exigence générale : « Les boulons ne doivent pas être considérés comme partageant la charge en combinaison avec des soudures, sauf dans la conception d'assemblages cisaillés sur une surface de contact commune où la compatibilité des déformations entre les boulons et les soudures est prise en compte. » La section comprend également une méthode admissible pour prendre en compte la compatibilité des déformations pour une classe spécifique d'assemblages et la déclaration « Dans les assemblages avec boulons combinés et soudures longitudinales, la résistance de l'assemblage n'a pas besoin d'être prise comme inférieure à la résistance des boulons seuls ou à la résistance des soudures seules. »
Comme décrit dans le commentaire de la Spécification AISC, la complication liée à la combinaison de boulons et de soudures est qu'ils n'atteignent pas leur résistance ultime au même niveau de déformation.
Caractéristiques représentatives charge-déformation (Kulak et Grondin 2003)
Le prétensionnement des boulons augmente la rigidité de l'assemblage, permettant un partage de charge plus efficace entre les boulons et les soudures. C'est pourquoi la méthode admissible décrite dans la Section J1.8 de la Spécification AISC s'applique uniquement aux assemblages avec boulons prétensionnés.
Les vérifications de résistance des boulons et des soudures sont indépendantes dans IDEA StatiCa, sans traitement particulier lorsque les boulons et les soudures partagent la charge. Compte tenu de la modélisation explicite de la rigidité des boulons, des soudures, des éléments et des éléments de connexion, la compatibilité des déformations est toujours prise en compte dans IDEA StatiCa. Lorsque les boulons et les soudures partagent la charge, la résistance requise de chacun est basée sur leur rigidité relative et la résistance disponible est calculée comme d'habitude. La validité de cette approche peut être établie par comparaison.
Assemblage
L'assemblage examiné dans cet exercice éclisse deux éléments en traction constitués de plaques. Des boulons prétensionnés et des soudures sont utilisés en combinaison sur toutes les surfaces de contact. Différentes longueurs de soudure sont examinées. Par souci de simplicité, la longueur de soudure n'est ajustée que du côté droit de l'assemblage d'éclissage. L'assemblage a été conçu de telle sorte que la résistance des boulons et des soudures soit déterminante par rapport à celle de l'élément et des éléments de connexion.
Procédure
La procédure de cet exercice suppose que l'apprenant possède une connaissance pratique de l'utilisation d'IDEA StatiCa (par exemple, comment naviguer dans le logiciel, définir et modifier des opérations, effectuer des analyses et consulter les résultats). Des conseils sur la manière d'acquérir ces connaissances sont disponibles sur le centre de support IDEA StatiCa.
Avant de commencer l'exercice, il est utile de consulter la Section J1.8 de la Spécification AISC et le commentaire associé, ainsi que la description de la manière dont IDEA StatiCa gère les boulons en combinaison avec des soudures dans cette entrée de catalogue.
Récupérez le fichier IDEA StatiCa pour l'assemblage exemple fourni avec cet exercice. Ouvrez le fichier dans IDEA StatiCa Connection. Pour réaliser l'exercice, suivez le récit, effectuez les tâches et répondez aux questions.
Examinez l'assemblage avec boulons uniquement.
Examinez l'assemblage avec soudures uniquement (L = 6 in.).
Examinez l'assemblage avec boulons et soudures (L = 6 in.).
La vérification doit être effectuée sur une plage de paramètres. La résistance relative des boulons et des soudures est un paramètre important pour la méthode de combinaison des résistances des boulons et des soudures dans la Spécification AISC. La résistance relative peut être variée en ajustant la longueur des soudures. Examinez l'assemblage avec différentes longueurs de soudure.
Au-delà des comparaisons, la vérification comprend l'analyse des données pour tirer des conclusions et identifier des pistes d'investigation supplémentaires.
Références
AISC. (2022). Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
AWS. (2020). Structural Welding Code—Steel. American Welding Society. Doral, Florida.
Denavit, M. D., Nassiri, A., Mahamid, M., Vild, M., Wald, F., and Sezen, H. (2024). Steel Connection Design by Inelastic Analysis. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
Kulak, G. L., and Grondin, G. Y. (2003). "Strength of Joints that Combine Bolts and Welds." AISC Engineering Journal, 40(2), 89–98.
Oberkampf, W. L., Trucano, T. G., and Hirsch, C. (2002). "Verification, Validation and Predictive Capability in Computational Engineering and Physics." Proceedings of the Foundations for Verification and Validation on the 21st Century Workshop, Laurel, Maryland, 1–74.
SCS Technical Committee on Model Credibility. (1979). "Terminology for model credibility." Simulation, SAGE Publications Ltd STM, 32(3), 103–104.
Wald, F., Šabatka, L., Bajer, M., Jehlička, P., Kabeláč, J., Kožich, M., Kuříková, M., and Vild, M. (2020). Component–Based Finite Element Design of Steel Connections. Czech Technical University in Prague.