Vérifications normatives des assemblages à moment préqualifiés selon l'AISC 358

Commençons par parler de l'origine des assemblages préqualifiés. Après le séisme de Northridge en Californie en 1994, les recherches sur la réponse sismique des systèmes de bâtiments en acier structurel ont considérablement augmenté grâce à la création du SAC Joint Venture avec « l'objectif de développer des lignes directrices et des normes de pratique fiables, pratiques et rentables pour la réparation ou la mise à niveau des bâtiments à ossature moment en acier endommagés, la conception de nouveaux bâtiments en acier, et l'identification et la réhabilitation des bâtiments en acier à risque. »
Le SAC Joint Venture a été financé par l'Agence fédérale américaine de gestion des urgences (FEMA) (https://www.sacsteel.org/project/mission.html) 

Les conclusions du séisme de Northridge ont montré que plusieurs bâtiments à ossature moment en acier ont subi des ruptures fragiles amorcées aux assemblages soudés semelle de poutre-semelle de poteau des assemblages à moment. Les ruptures présentaient une variété de configurations et s'étendaient parfois dans et à travers les zones de nœud des poteaux.

Ces ruptures fragiles inattendues étaient très différentes du comportement attendu de plastification ductile en flexion des poutres dans les zones de rotule plastique. Là où elles se sont produites, ces ruptures fragiles ont empêché la formation de zones de rotule plastique ductiles. Elles ont entraîné un comportement de portique substantiellement différent de celui sur lequel étaient basées les exigences de conception de ces systèmes.

Le Comité de révision de la préqualification des assemblages (CPRP) a été créé par l'AISC en 2001 pour développer une norme de préqualification des assemblages. Le comité, composé d'ingénieurs, de chercheurs, de fabricants et de responsables de la construction, a examiné les données d'essais et autres données de recherche du SAC et d'autres organismes pour publier la première édition de l'AISC 358 en 2005.

Cette première édition comprenait des données de préqualification et des procédures de conception pour trois types d'assemblages. Depuis cette publication de 2005, le CPRP a continué à examiner les données pour des technologies d'assemblage supplémentaires, et la dernière version en vigueur de l'AISC 358 contient désormais dix types d'assemblages préqualifiés, dont plusieurs assemblages brevetés :

1. Section de poutre réduite (RBS)
2. Platine d'extrémité prolongée boulonnée non raidie et raidie 
3. Platine de semelle boulonnée (BFP)
4. Semelle non renforcée soudée-âme soudée (WUF-W)
5. Équerre boulonnée Kaiser (Breveté)
6. ConXtech ConXL (Breveté)
7. Sideplate (Breveté)
8. Simpson Strong-tie Strong Frame (Breveté)
9. Double-Tee
10. Âme à fente (Breveté)

Que sont ces assemblages particuliers ?

Sur la base des conclusions du SAC Joint Venture, les principales raisons associées aux ruptures fragiles étaient que les géométries des assemblages présentaient de fortes concentrations de contraintes et une capacité de plastification limitée, les métaux d'apport de soudure utilisés avaient une ductilité limitée, les différentes limites d'élasticité des poutres et des poteaux entraînaient des zones de faiblesse imprévues dans les ensembles d'assemblages, et les pratiques de soudage ne respectaient pas le code de soudage structurel AWS.

« Suite aux recommandations du SAC Joint Venture, les Dispositions sismiques de l'AISC exigent que les assemblages à moment utilisés dans les ossatures moment en acier spéciales ou intermédiaires soient démontrés par essais comme étant capables de fournir la ductilité nécessaire. 

Deux moyens de démonstration sont acceptables. L'un consiste en des essais spécifiques au projet dans lesquels un nombre limité d'éprouvettes à pleine échelle, représentant les assemblages à utiliser dans une structure, sont construites et testées selon un protocole prescrit au chapitre K des Dispositions sismiques de l'AISC. Reconnaissant qu'il est coûteux et chronophage d'effectuer de tels essais, les Dispositions sismiques de l'AISC prévoient également la préqualification des assemblages consistant en un programme rigoureux d'essais, d'évaluation analytique et d'examen par un organisme indépendant, le Comité de révision de la préqualification des assemblages (CPRP). 

Les assemblages contenus dans cette norme ont satisfait aux critères de préqualification lorsqu'ils sont appliqués à des ossatures conformes aux limitations contenues dans le présent document et lorsqu'ils sont conçus et détaillés conformément à cette norme. » (Introduction du commentaire de l'AISC 358)

En résumé, les assemblages préqualifiés selon la norme AISC 358 sont destinés à résister aux déformations inélastiques principalement par plastification contrôlée dans des modes de comportement spécifiques. Pour obtenir des assemblages qui se comporteront de la manière indiquée, une détermination correcte de la résistance de l'assemblage dans divers états limites est nécessaire. Les formulations de résistance contenues dans la méthode LRFD sont cohérentes avec cette approche. »

Quel est le processus de conception actuel d'un assemblage préqualifié AISC ? 

L'AISC 358 contient un chapitre dédié à chaque type d'assemblage préqualifié et tous les détails nécessaires pour se conformer à la norme. Dans chaque chapitre, toutes les limitations de conception sont énoncées et un processus de conception est présenté.

La conception d'un assemblage est un processus étape par étape où, selon l'assemblage, on commence par choisir la géométrie par essais et erreurs. Viennent ensuite les calculs du module plastique de la section, du moment probable maximal à la rotule plastique attendue, de l'effort tranchant, et le moment plastique de la poutre qui doit être comparé à la résistance de la poutre.

L'idée principale du processus de conception est de concevoir un système poteau fort-poutre faible. Ainsi, il faut calculer le moment maximal à l'emplacement de la rotule plastique contrôlée, en s'assurant que la poutre cède avant l'assemblage et le poteau lors d'un événement sismique.

Les assemblages brevetés ont des méthodes de conception différentes, et un ingénieur souhaitant utiliser ces assemblages doit contacter le titulaire du brevet pour comprendre comment la conception est réalisée. 

Étude sur les assemblages préqualifiés

En 2023, l'Université d'État de l'Ohio (OSU) a travaillé sur une étude pour vérifier la fiabilité du CBFEM utilisé dans le logiciel IDEA StatiCa lors de l'analyse de différents types d'assemblages acier sismiques préqualifiés. 

Ce projet visait à évaluer le comportement des assemblages à moment sismiques obtenus à partir du logiciel IDEA StatiCa – en tenant compte de la résistance aux charges, de la capacité de rotation et de la réponse moment-rotation. 

Les résultats ont été comparés aux méthodes éprouvées : les équations AISC, ABAQUS (logiciel EF), et les résultats d'essais en laboratoire à pleine échelle.

L'étude a démontré qu'IDEA StatiCa est un outil fiable pour calculer les capacités en moment et prédire les modes de rupture pour différents assemblages acier. 

Lire ici pour en savoir plus sur l'étude OSU sur les assemblages préqualifiés.

Comment IDEA StatiCa s'intègre dans le processus de conception des assemblages préqualifiés

Dans IDEA StatiCa, il a toujours été possible de modéliser des assemblages préqualifiés, et la modélisation n'était pas trop complexe car il existe des opérations simples qui facilitent la modélisation, par exemple :

Ouvertures (pour modéliser les découpes de semelles) :

Opération cornière pour ajouter des sections en té des deux côtés :

Platine d'extrémité, raidisseurs, élargisseurs : 

Une fois l'assemblage modélisé, le type d'analyse Capacity Design est utilisé pour confirmer que la rotule plastique prévue se forme bien là où elle a été conçue pour se produire. Par exemple, la rotule plastique d'un assemblage RBS est destinée à se former dans la section réduite de la poutre ; dans une platine de semelle boulonnée, l'intention est d'avoir la rotule plastique près de l'extrémité des platines de semelle. 

Ainsi, lorsque vous sélectionnez l'analyse Capacity Design dans IDEA StatiCa, un élément dissipatif où la rotule plastique est censée se former doit être assigné. L'assemblage et le poteau sont des éléments non dissipatifs qui doivent rester sans déformations significatives. La poutre est chargée de manière à créer la rotule plastique dans la poutre avec la limite d'élasticité probable et par l'effort tranchant correspondant.

Lors de l'exécution de l'analyse, la résistance du matériau de l'élément dissipatif est augmentée par le facteur de sur-résistance (Ry) et le facteur d'écrouissage (CPr).

IDEA StatiCa Connection vérifie l'assemblage pour la charge de calcul appliquée, qui doit créer une rotule plastique dans l'élément dissipatif sélectionné. La déformation plastique dans l'élément dissipatif doit être d'environ 5 %. Cela permet de confirmer que l'amplitude et la position des charges ont été correctement déterminées. 

Nous couvrons tous les assemblages préqualifiés non brevetés. Cependant, vous devez vérifier si les limites de préqualification sont satisfaites. Cela rend le processus de modélisation très fastidieux car, dans certains cas, il peut y avoir plus de 50 vérifications de détaillage pour chaque assemblage. 

IDEA StatiCa Connection inclut les vérifications de détaillage de préqualification pour les assemblages listés ci-dessous, et nous avons ajouté des modèles d'assemblages qui vous aideront avec un modèle déjà construit.

Dans le menu de l'assemblage, vous pouvez choisir entre Ossature moment spéciale et Ossature moment intermédiaire, ainsi que le type d'assemblage que vous allez concevoir. Ceci est important et dépend des vérifications de détaillage que vous obtenez dans le rapport :

Les vérifications de détaillage s'affichent sur l'écran du modèle pendant que vous travaillez sur l'assemblage acier, afin que vous sachiez ce qui doit être modifié avant de lancer l'analyse. Enfin, imprimez les vérifications dans le rapport. 

Ressources supplémentaires

Consultez notre base théorique sur le Capacity Design pour des informations plus détaillées sur les fonctionnalités qui réduiront le temps consacré à la vérification normative des assemblages acier préqualifiés.

Regardez une courte vidéo d'introduction à la conception des assemblages préqualifiés. 

Si vous concevez ces assemblages et souhaitez réduire le temps d'itération, découvrez les avantages grâce à notre essai gratuit via le lien ci-dessous.