Résistance au moment des assemblages acier soudés poutre-poteau à section ouverte sur l'axe fort

Ce rapport a été développé dans le cadre d'une collaboration entre l'ISISE (Institut pour la Durabilité et l'Innovation en Ingénierie Structurelle) à l'Université de Coimbra  et IDEA StatiCa. Ce projet a été financé conjointement par les deux entités et rédigé par :

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

Résumé exécutif

Ce rapport présente une analyse approfondie des assemblages acier soudés poutre-poteau à section ouverte, avec un focus particulier sur la composante âme du poteau en cisaillement, à l'aide de modèles 3D-MEF de haute qualité, correctement validés. L'étude porte sur des assemblages soudés poutre-poteau à section ouverte résistant aux moments sur l'axe fort, avec et sans raidisseurs transversaux, couvrant les assemblages unilatéraux et bilatéraux situés à un niveau intermédiaire (interne) ou au dernier niveau (toiture), et, pour les assemblages internes, avec différents niveaux d'effort axial dans le poteau. L'étude couvre un large éventail de situations en termes d'élancement du poteau, de rapport d'aspect de l'assemblage, de configuration de l'assemblage, de raidisseurs, d'effort axial et de rapport de moments (pour les assemblages bilatéraux). Les aspects liés aux éléments finis, tels que le modèle de matériau, le type d'analyse, la densité du maillage, les imperfections initiales, etc., sont également pris en compte.

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

1. La liste des cas inclut des charges axiales de 30 %, 50 % et 70 %.
2. Les nuances d'acier comprennent S235, S275 et S355.
3. Les poteaux laminés, soudés avec soudures d'angle et soudures bout à bout sont étudiés.
4. Une étude approfondie sur les différences entre GMNA et MNA a été incluse.
5. Une étude approfondie sur l'influence de la loi de comportement du matériau 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 l'évaluation de la résistance au moment de flexion sur l'axe fort des assemblages soudés en configurations poutre-poteau unilatérales et bilatérales avec des éléments à section ouverte (poutres et poteaux), incluant l'influence des raidisseurs transversaux, en utilisant : i) les règles de calcul européennes, ii) l'analyse par éléments finis (éléments solides 3D) et iii) IDEA StatiCa ; ainsi que la comparaison des résultats obtenus par chaque méthode.

Méthodologie

1. Évaluer la résistance de calcul de la composante panneau d'âme pour un large éventail d'assemblages acier soudés poutre-poteau à l'aide de modèles 3D MEF de haute qualité, utilisés ensuite comme cas de référence.
2. Comparer la résistance de l'assemblage avec les modèles CBFEM (IDEA StatiCa), basés sur des éléments coques.
3. Discuter de la possibilité d'améliorer les fonctionnalités et les options par défaut offertes par IDEA StatiCa afin de garantir l'obtention d'une valeur de résistance réaliste et sûre.
4. Comparer la résistance de l'assemblage avec les résultats obtenus à partir des expressions de calcul fournies dans l'Eurocode 3, versions actuelle et à venir.
5. Évaluer les différences de résistance au moment produites par le critère de déformation plastique équivalente de 5 % adopté par IDEA StatiCa pour définir la « résistance de calcul » sur la courbe moment-rotation, par rapport à d'autres critères courants (tels que la réduction de la rigidité sécante à 1/3 de la rigidité initiale).

Questions traitées

• Quelle est la dispersion des résultats ?
• Quelle est l'influence des différents paramètres (élancement, rapport d'aspect, rapport de moments fléchissants, raidisseurs transversaux, effort axial, etc.) sur ces résultats ?
• Quelle est l'influence des composantes d'âme du poteau sur ces résultats ?

Exclusions

Aucune évaluation de la fiabilité des résultats du programme n'est effectuée, car cela sort du cadre de cette étude.

Résumé des conclusions

L'analyse des résultats Abaqus a mis en évidence les conclusions suivantes :

1. Concernant le critère de déformation plastique équivalente de 5 %, il a été démontré que, pour ce type d'assemblage, il produit des résultats de résistance similaires à ceux obtenus avec le même modèle numérique avec une réduction de la rigidité sécante à 1/3 de la rigidité initiale.
2. Les imperfections initiales jouent un rôle mineur dans le comportement des assemblages analysés ; cependant, la non-linéarité géométrique (analyse du 2e ordre) doit être prise en compte, en particulier dans les cas où un effort axial est présent.
3. La prise en compte de l'écrouissage entraîne une faible augmentation moyenne de 4 % de la résistance, mais a un effet important, d'environ 44 % en moyenne, sur la rotation de l'assemblage.

Les commentaires suivants sont pertinents pour la mise en œuvre dans IDEA StatiCa :

1. IDEA StatiCa, avec le maillage par défaut du programme (version 23.1) et une analyse MNA (analyse matériellement non linéaire), fournit des résistances supérieures à celles obtenues avec Abaqus. En moyenne, 6 % supérieures 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 à ceux d'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).
   Commentaire IDEA StatiCa : Cette situation est corrigée par deux modifications implémentées dans la version 25.0 :
   - Analyse géométriquement non linéaire
   - Zone de diffusion de la soudure – 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 raffiné (réduction de moitié de la taille du maillage par défaut) et une analyse GMNA (analyse géométriquement et matériellement non linéaire) fournit des résistances en bonne concordance (dans ±5 % en moyenne) avec les résultats Abaqus. Les écarts maximaux observés pour un cas individuel 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).
   Commentaire IDEA StatiCa : La réduction de moitié du maillage n'est plus nécessaire avec les modifications mentionnées au point précédent.
   
3. L'influence des imperfections initiales a été étudiée pour les assemblages internes unilatéraux et s'est avérée négligeable.
   Commentaire IDEA StatiCa : Cela signifie que l'analyse GMNA est suffisante et que l'analyse GMNIA n'est pas nécessaire pour la plage d'assemblages étudiée.
   
4. Une analyse purement matériellement non linéaire sans effets du 2^e ordre conduit à des résultats non conservateurs en cas d'effort axial sur le poteau. Il est donc recommandé que l'analyse géométriquement non linéaire soit activée par défaut dans le programme.
   Commentaire IDEA StatiCa : Dans la version 25.0, l'analyse géométriquement non linéaire est disponible pour chaque assemblage. Dans le prochain correctif, un avertissement sera fourni.
   
5. La taille du maillage joue un rôle essentiel dans la précision des résultats. Une approche potentielle pour estimer la valeur convergée pourrait être basée sur un processus automatisé qui réduit de moitié la taille du maillage et applique l'extrapolation de Richardson à la résistance au moment obtenue avec les deux valeurs.
   Commentaire IDEA StatiCa : L'extrapolation de Richardson est possible lors de la détermination des résistances aux charges. Cependant, elle n'est pas possible pour les vérifications satisfaites/non satisfaites. Avec les modifications précédemment mentionnées dans la version 25.0, le maillage par défaut fournit déjà des résultats suffisamment précis. 
6. Le modèle de matériau implémenté par IDEA StatiCa (avec une pente d'écrouissage E/1000) entraîne une augmentation moyenne de 3 % de la résistance au moment par rapport aux résultats obtenus avec un matériau élastique parfaitement plastique.

Lisez le rapport complet en pièce jointe.

Téléchargements joints

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