Résistance au moment des assemblages soudés en acier de poutre à section ouverte dans l'axe fort.

Ce rapport a été élaboré dans le cadre de la collaboration entre ISISE (Institut pour la durabilité et l'innovation en ingénierie de construction) à l'Université de Coimbra et IDEA StatiCa. Ce projet a été financé conjointement par les deux entités et ses auteurs sont :

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

Résumé

Ce rapport présente une analyse approfondie des assemblages soudés poutre-poteau en acier avec un accent particulier sur la semelle de poteau en cisaillement en utilisant des modèles FEM 3D de haute qualité dûment vérifiés. L'étude comprend des assemblages soudés poutre-poteau résistants au moment à section ouverte avec et sans raidisseurs transversaux, incluant des assemblages unilatéraux et bilatéraux situés soit en étage intermédiaire (interne), soit au dernier étage (toit), et pour les assemblages internes avec différents niveaux de charge axiale de poteau. L'étude englobe une large gamme de situations en termes d'élancement du poteau, rapport d'aspect de l'assemblage, configuration de l'assemblage, raidisseurs, forces axiales et rapport de moment (pour les assemblages bilatéraux). Les aspects liés aux EF sont également pris en compte, tels que le modèle de matériau, le type d'analyse, la densité de maillage, les imperfections initiales, etc.

Cette étude comprend une année de travail dans les domaines suivants :

1. La liste des fichiers comprend des cas avec 30%, 50% et 70% de charge axiale.
2. Les classes d'acier incluent S235, S275 et S355.
3. Les poteaux laminés, les poteaux soudés bout à bout et à recouvrement sont abordés.
4. Une étude exhaustive sur les différences entre GMNA et MNA a été incluse.
5. Une étude complète sur l'influence de la loi constitutive matérielle a été incluse.
6. L'influence des soudures d'angle sur le comportement de l'assemblage est étudiée.

Objectifs

L'objectif de cette étude est d'évaluer la résistance des assemblages soudés dans l'axe fort contre le moment de flexion dans les configurations poutre-poteau unilatérales et bilatérales avec des éléments à section ouverte (poutres et poteaux), y compris l'influence des raidisseurs transversaux, en utilisant : i) les règles de conception européennes, ii) la méthode des éléments finis (éléments solides 3D) et iii) IDEA StatiCa ; et comparer les résultats obtenus par chaque méthode.

Méthodologie

1. Évaluation de la résistance de conception de l'élément panneau de semelle pour une large gamme d'assemblages soudés poutre-poteau en utilisant des modèles FEM 3D de haute qualité, qui seront ensuite utilisés comme cas de référence.
2. Comparaison de la résistance de l'assemblage avec les modèles CBFE (IDEA StatiCa) basés sur des éléments de coque.
3. Discuter de la possibilité d'améliorer les fonctionnalités et les options par défaut qu'offre IDEA StatiCa pour garantir l'obtention d'une valeur de résistance réaliste et sûre.
4. Comparer la résistance des assemblages avec les résultats obtenus à partir des expressions de conception indiquées dans l'Eurocode 3, version actuelle et en préparation.
5. Évaluer les différences de résistance au moment qui ont résulté du critère de 5% de déformation plastique équivalente qu'IDEA StatiCa a adopté pour définir la "résistance de conception" sur la courbe moment-rotation, par rapport à d'autres critères courants (comme la relaxation de la rigidité sécante à 1/3 de la rigidité initiale).

Questions traitées

• Quelle est la dispersion des résultats ?
• Quel est l'effet de différents paramètres (élancement, rapport d'aspect, rapport des moments de flexion, raidisseurs transversaux, force axiale, etc.) sur ces résultats ?
• Quel effet ont les composants de la semelle de poteau sur ces résultats ?

Exclusions

L'évaluation de la fiabilité des résultats du programme n'est pas effectuée car elle sort du cadre de cette étude.

Résumé des conclusions

De l'analyse des résultats du programme Abaqus, les conclusions suivantes ont été tirées :

1. Concernant le critère de 5% de déformation plastique équivalente, il s'est avéré que pour ce type d'assemblage, il donne des résultats de résistance similaires aux résultats obtenus du même modèle numérique avec une réduction de la rigidité sécante à 1/3 de la rigidité originale.
2. Les imperfections initiales jouent un rôle mineur dans le comportement des assemblages analysés, néanmoins la non-linéarité géométrique (analyse du 2e ordre) devrait être incluse, surtout dans les cas où une charge axiale est présente.
3. L'inclusion de l'écrouissage conduit à une petite augmentation moyenne de la résistance de 4%, mais a un effet important, en moyenne d'environ 44%, sur la rotation de l'assemblage.

Les remarques suivantes sont pertinentes pour l'implémentation dans le programme IDEA StatiCa :

1. IDEA StatiCa avec le maillage par défaut du programme (version 23.1) et MNA (analyse matériellement non-linéaire) fournit des résistances qui sont supérieures aux résistances obtenues avec le programme Abaqus. En moyenne 6% plus élevées pour les poteaux laminés avec soudures bout à bout et environ 11% pour les poteaux soudés avec soudures bout à bout ou d'angle. Pour les poteaux laminés avec soudures d'angle, les résultats sont en moyenne identiques aux résultats du programme Abaqus. Les écarts maximaux observés pour un cas individuel sont de 22% (poteaux laminés avec soudures bout à bout) et 53% (poteaux soudés avec soudures bout à bout).
   IDEAStatiCa commentaire : Cette situation est corrigée par deux changements effectués dans la version 25.0 :
   -Analyse géométriquement non-linéaire
   -Surface portante des soudures - réduite pour les soudures bout à bout, c'est-à-dire que la résistance des poteaux soudés bout à bout est diminuée.
   
2. IDEA StatiCa avec un maillage affiné (moitié de la taille du maillage par défaut) et GMNA (analyse géométriquement et matériellement non-linéaire) fournit des résistances qui sont en bon accord (en moyenne dans la plage ±5%) avec les résultats d'Abaqus. Les écarts maximaux trouvés pour les cas individuels sont de 15% (poteaux laminés avec soudures bout à bout), 5% (poteaux laminés avec soudures d'angle), 27% (poteaux soudés avec soudures bout à bout) et 14% (poteaux soudés avec soudures d'angle).
   IDEAStatiCa commentaire : Après les changements mentionnés dans le point précédent, il n'est plus nécessaire de réduire les mailles de moitié.
   
3. L'influence des imperfections initiales a été étudiée pour les assemblages internes unilatéraux et il a été trouvé qu'elle est négligeable.
   Commentaire IDEAStatiCa : Cela signifie que GMNA est suffisante et GMNIA n'est pas nécessaire pour la gamme d'assemblages étudiée.
   
4. L'analyse purement matériellement non-linéaire sans effets du^2e ordre conduit à des résultats non-conservateurs dans le cas de force axiale sur le poteau. Il est donc recommandé que l'analyse géométriquement non-linéaire soit activée par défaut dans le programme.
   IDEAStatiCa commentaire : Dans la version 25.0, l'analyse géométriquement non-linéaire est disponible pour chaque assemblage. Un avertissement sera inclus dans la correction en préparation.
   
5. La taille du maillage joue un rôle crucial dans la précision des résultats. Une approche potentielle pour estimer la valeur convergente pourrait être basée sur un processus automatisé qui diviserait la taille du maillage par deux et appliquerait l'extrapolation de Richardson à la résistance au moment obtenue avec les deux valeurs.
   IDEAStatiCa commentaire : L'extrapolation de Richardson est possible lors de la détermination des résistances de charge. Elle n'est cependant pas possible pour les contrôles satisfait/non satisfait. Grâce aux changements mentionnés précédemment dans la version 25.0, le maillage par défaut fournit déjà des résultats suffisamment précis.
6. Le modèle de matériau implémenté par l'application IDEA StatiCa (avec une pente d'écrouissage E/1000) conduit en moyenne à une augmentation de 3% de la résistance au moment par rapport aux résultats obtenus avec un matériau élastique parfaitement plastique.

Vous pouvez lire le rapport complet en annexe.

Téléchargements joints

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10,7 MB)