Vérification des calculs IDEA StatiCa pour la conception d'assemblages acier (AISC)

Auteurs :

• Baris Kasapoglu, doctorant (Département de génie civil, environnemental et géodésique)
• Rafael Arthur Giorjao, Ph.D. (Département de science et ingénierie des matériaux)
• Ali Nassiri, Ph.D. (Département d'ingénierie des systèmes intégrés)
• Halil Sezen, Ph.D. (Département de génie civil, environnemental et géodésique)

Juin 2021

Introduction

Dans le domaine du génie structurel et civil, la compréhension du comportement structurel et de l'intégrité des bâtiments est essentielle pour garantir la sécurité des occupants. Cependant, l'analyse et la détermination du comportement d'une structure complexe soumise à diverses conditions de chargement par des méthodes analytiques conventionnelles constituent un défi. C'est pourquoi l'Analyse par Éléments Finis (AEF) est un outil précieux pour la modélisation numérique de structures physiques trop complexes pour des solutions analytiques. L'objectif principal de ce rapport est d'évaluer les résultats d'AEF obtenus à partir du logiciel IDEA StatiCa pour trois groupes d'assemblages acier courants utilisés aux États-Unis (c'est-à-dire les assemblages simples, semi-rigides et rigides), et de les comparer avec les données expérimentales disponibles et les résultats calculés par un autre logiciel EF, ABAQUS. La réponse de l'assemblage poutre-poteau obtenue à partir du logiciel IDEA StatiCa est ensuite comparée aux calculs de dimensionnement effectués conformément aux exigences de l'AISC 360, Specification for Structural Steel Building (2016), et de l'AISC Steel Construction Manual (2017).

Ce rapport comprend quatre chapitres. Dans les chapitres 1 à 3, un assemblage validé expérimentalement a été sélectionné dans la littérature pour chaque type d'assemblage comme modèle de base. Les vérifications normatives et les calculs de dimensionnement ont été effectués conformément aux codes de construction américains pour chaque modèle de base et ses dix variantes. Les résultats ont ensuite été comparés aux prédictions d'IDEA StatiCa. De plus, les résultats d'AEF issus d'IDEA StatiCa ont été comparés à ceux d'ABAQUS. Toutes les étapes requises et les détails de toutes les vérifications géométriques et de dimensionnement conformément aux codes de calcul AISC sont inclus en annexes. Le dernier chapitre contient l'évaluation globale du logiciel IDEA StatiCa en termes de précision et de compatibilité avec les exigences des codes de construction américains pour les assemblages acier.

1 ASSEMBLAGES SIMPLES

Dans cette étude, les capacités de résistance de calcul de dix spécimens d'assemblages articulés ont été calculées conformément aux exigences de l'AISC 360 (2016) et de l'AISC Construction Manual (2017). Quatre spécimens d'essai ont été sélectionnés à partir de l'étude expérimentale réalisée par McMullin et Astaneh (1988) au Département de génie civil de l'Université de Californie à Berkeley. Six modèles supplémentaires ont été développés à des fins de vérification en modifiant les paramètres sur la base des spécimens d'essai disponibles. Ensuite, le modèle de base a été analysé à l'aide d'ABAQUS (2020) et d'IDEA StatiCa (Version 20.1.3471.1) et les résultats ont été comparés.

Étude expérimentale

Sept spécimens d'assemblages poutre-poteau en acier à grande échelle ont été testés, et les résultats ont été présentés dans McMullin et Astaneh (1988). Chaque spécimen d'assemblage était boulonné à la poutre et soudé au poteau avec des sections à double cornière. L'objectif principal de ces essais est d'appliquer uniquement un effort de cisaillement dans l'assemblage avec un moment fléchissant très faible. Pour atteindre cet objectif, le vérin situé près de l'assemblage applique l'effort de cisaillement. Le vérin situé près de l'extrémité du porte-à-faux vise à maintenir la poutre horizontale et à limiter la rotation (flexion) de l'assemblage. 

Schéma de l'instrumentation utilisée lors de l'expérience (McMullin et Astaneh, 1988)

Calculs de dimensionnement normatif et comparaisons

Les capacités de résistance de calcul (\(\phi\)R_n) des assemblages ont été calculées conformément aux exigences de l'AISC Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2016) et de l'AISC Steel Construction Manual (AISC Manual, 2017). La résistance nominale, R_n, et le facteur de résistance correspondant, \(\phi\), pour chaque état limite de dimensionnement de l'assemblage pour le calcul aux facteurs de charge et de résistance (LRFD) sont fournis dans le Chapitre J de l'AISC 360. Les 13 vérifications normatives suivantes ont été effectuées conformément aux équations de dimensionnement LRFD incluses dans l'AISC 360 ou l'AISC Manual.

• Vérification au cisaillement des boulons                                                       (Éq. J3-1, AISC 360-16)
• Vérification en traction des boulons                                                     (Éq. J3-1, AISC 360-16)
• Pression diamétrale des boulons sur la poutre                                                (AISC 360-16, Éq. J3-6a)
• Arrachement des boulons sur la poutre                                                (AISC 360-16, Éq. J3-6c)
• Pression diamétrale des boulons sur les cornières                                      (AISC 360-16, Éq. J3-6a)
• Arrachement des boulons sur les cornières                                               (AISC 360-16, Éq. J3-6c)
• Rupture par cisaillement des cornières (côté poutre)                      (AISC 360-16, Éq. J4-4)
• Rupture par arrachement en bloc des cornières (côté poutre)                          (AISC 360-16, Éq. J4-5)
• Plastification par cisaillement des cornières                                           (AISC 360-16, Éq. J4-3)
• Plastification par cisaillement de la poutre                                             (AISC 360-16, Éq. J4-3)
• Rupture des soudures des cornières (côté appui)                  (Page 9-5, AISC Manual)
• Capacité des soudures                                                             (Page 10–11, AISC Manual)
• Capacité des soudures (sans excentricité)                                 (AISC 360-16, Éq. J4-2)

Analyse IDEA StatiCa

IDEA StatiCa vérifie quatre scénarios de rupture différents pour ce type d'assemblage acier : (1) rupture de la plaque, (2) rupture des boulons, (3) rupture des soudures, et (4) flambement. Les quatre spécimens d'essai sélectionnés (Tableau 1.4) et six modèles supplémentaires (Tableau 1.6) ont été modélisés dans IDEA StatiCa et analysés sous un effort de cisaillement, comme illustré à la Figure 1.9. Dans le logiciel, l'emplacement de l'effort de cisaillement peut être sélectionné arbitrairement. Deux emplacements d'application de l'effort de cisaillement ont été étudiés : (1) au niveau des boulons, et (2) au nu du poteau.

Comparaison des capacités au cisaillement : Quatre spécimens testés

Comparaison des capacités au cisaillement : six modèles supplémentaires 

Synthèse et comparaison des résultats

Deux capacités de soudure différentes ont été calculées pour chaque spécimen d'essai conformément aux exigences de calcul LRFD de l'AISC. Pour les quatre mêmes spécimens d'essai, deux capacités de soudure différentes ont été calculées à partir des modèles IDEA StatiCa en appliquant l'effort de cisaillement à différents emplacements. Dans tous les scénarios de chargement, il a été constaté que le composant le plus faible des assemblages était la soudure. Les résistances déterminantes ou les plus faibles calculées correspondant aux capacités des soudures sont présentées et comparées à la capacité ultime au cisaillement des soudures mesurée lors de l'expérience.

Les capacités des soudures des spécimens d'essai ont été calculées de deux manières différentes en suivant les exigences du code LRFD de l'AISC (AISC 360-16 et AISC Manual, 2017). Pour l'essai n° 4, si l'on suit l'équation J2.4 de l'AISC 360-16, la capacité de calcul de la soudure du spécimen est calculée à 228,3 kips. Dans cette solution, aucune excentricité n'est prise en compte. Pour comparer cette approche avec l'analyse IDEA StatiCa, l'effort de cisaillement vertical a été appliqué sur la soudure (parallèlement à la ligne de soudure) et la capacité de soudure de ce spécimen a été calculée à 216,6 kips, ce qui est très proche de celle calculée à partir de l'équation J2.4 de l'AISC 360-16 (228,3 kips).

Lorsque l'effort de cisaillement est appliqué sur les boulons (force verticale extérieure parallèle à la ligne de boulons) dans le modèle IDEA StatiCa, la capacité de l'assemblage a été calculée à 130,2 kips. Si la capacité de soudure est calculée en suivant l'équation de résistance des soudures LRFD (Page 10-11 de l'AISC Construction Manual, 2017), qui tient compte de l'excentricité du chargement côté appui, la capacité de soudure du spécimen est calculée à 186,8 kips. Cependant, de manière conservative, cette équation LRFD de l'AISC ne tient pas compte de l'excentricité résultant de l'écart entre les boulons et la soudure. On pense que cette hypothèse est la raison de la différence entre les résultats calculés par IDEA StatiCa et l'équation de résistance LRFD de l'AISC Manual (2017).

Comparaison des résultats IDEA StatiCa et ABAQUS

En général, une bonne concordance a été observée entre les résultats des deux logiciels. Dans le cas 1, où la charge était appliquée sur le centroïde du groupe de boulons, une déformation plus importante a été observée sur les doubles cornières dans le modèle ABAQUS. De plus, la contrainte maximale prédite sur la poutre, le poteau et les lignes de soudure était légèrement plus élevée dans le modèle ABAQUS. Par ailleurs, une distribution des contraintes légèrement différente a été observée sur la poutre dans le modèle ABAQUS. Bien que l'application de la charge sur le groupe de boulons ne soit pas courante dans les logiciels éléments finis traditionnels, une telle divergence pourrait être associée à des formulations de contact ou des types d'éléments différents (c'est-à-dire, élément solide dans ABAQUS contre élément de coque dans IDEA StatiCa). De plus, en raison de la nature de la contrainte de liaison, des contraintes plus importantes ont été obtenues sur le poteau dans le modèle ABAQUS. Dans le cas 2, où la charge était appliquée sur les lignes de soudure, une bien meilleure concordance a été observée entre les deux modèles. Dans les deux modèles, il a été constaté que le composant le plus faible des assemblages était les lignes de soudure. Ceci est également cohérent avec les vérifications normatives LRFD. 

Contrainte de von Mises prédite entre les modèles IDEA StatiCa et ABAQUS ; cas 1 (rangée du haut) : la charge de cisaillement a été appliquée sur le centroïde du groupe de boulons, et cas 2 (rangée du bas) : la charge de cisaillement a été appliquée sur les lignes de soudure

2 ASSEMBLAGES SEMI-RIGIDES

Dans ce chapitre, les capacités de résistance de calcul de dix spécimens d'assemblages semi-rigides ont été calculées conformément aux exigences de l'AISC 360 (2016) et de l'AISC Construction Manual (2017). Ces spécimens ont été sélectionnés à partir de l'étude expérimentale réalisée par Azizinamini et al. (1985) au Département de génie civil de l'Université de Caroline du Sud. Tous les spécimens ont été analysés à l'aide d'IDEA StatiCa, tandis que l'un d'eux a été analysé à l'aide d'ABAQUS (2020). Les résultats ont ensuite été comparés.

Étude expérimentale sur les assemblages semi-rigides

Plusieurs assemblages semi-rigides composés de doubles cornières et de semelles de poutre supérieure et inférieure ont été soumis à des chargements statiques et cycliques afin d'étudier leur comportement moment-rotation. Une paire de spécimens a été testée simultanément, comme illustré à la Figure 2.1. Un côté des sections de poutre était boulonné au poteau et l'autre côté était supporté par des appuis à rouleaux. Le déplacement vertical du tronçon de poteau était permis par des guides à rouleaux fixés en haut et en bas du poteau. Le vérin hydraulique était utilisé pour appliquer la charge sur le poteau et l'assemblage transmettait la charge aux poutres.

Dispositif d'essai utilisé par Azizinamini et al. (1985)

Calculs de dimensionnement normatif et comparaisons

Les capacités de résistance de calcul (\(\phi\)R_n) des assemblages ont été calculées conformément aux exigences de l'AISC 360 (2016) et de l'AISC Manual (2017). La résistance nominale, R_n, et le facteur de résistance correspondant, \(\phi\) pour chaque état limite LRFD de dimensionnement de l'assemblage sont fournis dans le Chapitre J de l'AISC 360. Il est supposé que les cornières supérieure et d'assise assurent la résistance au moment, et que la double cornière d'âme est utilisée de manière conservative pour la résistance au cisaillement de l'assemblage.

Capacité de résistance de calcul des doubles cornières d'âme

Les 14 vérifications normatives suivantes ont été effectuées conformément aux équations de dimensionnement LRFD incluses dans l'AISC 360 ou l'AISC Manual pour la capacité de résistance de calcul des doubles cornières d'âme.

• Cornière (côté poutre)
  • Cisaillement des boulons                                                                 Éq. J3-1, AISC 360-16
  • Pression diamétrale et arrachement des boulons                                            Éq. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastification par cisaillement                                                             Éq. J4-3, AISC 360-16
  • Rupture par cisaillement                                                              Éq. J4-4, AISC 360-16          
  • Arrachement en bloc                                                                 Éq. J4-5, AISC 360-16          
• Cornière (côté poteau)
  • Cisaillement des boulons                                                                   Éq. J3-1, AISC 360-16            
  • Pression diamétrale et arrachement des boulons                                           Éq. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastification par cisaillement                                                            Éq. J4-3, AISC 360-16          
  • Rupture par cisaillement                                                             Éq. J4-4, AISC 360-16          
  • Arrachement en bloc                                                                Éq. J4-5, AISC 360-16          
  • Capacité en traction résultante due à l'effort de levier         Partie 9, AISC Manual
• Poutre
  • Pression diamétrale et arrachement des boulons                                           Éq. J3-6, AISC 360-16
  • Plastification par cisaillement                                                            Éq. J4-3, AISC 360-16
• Poteau
  • Pression diamétrale et arrachement des boulons                                            Éq. J3-6, AISC 360-16

La capacité de calcul des deux doubles cornières d'âme (dans les spécimens 14S1 et 14S2) était déterminée par l'arrachement en bloc des boulons sur la cornière fixée à la poutre, tandis que la pression diamétrale et l'arrachement des boulons sur la poutre déterminaient les capacités de calcul au cisaillement des huit autres spécimens.

Capacité de résistance de calcul des cornières supérieure et d'assise

Les 16 vérifications normatives suivantes ont été effectuées conformément aux équations LRFD incluses dans l'AISC 360 ou l'AISC Manual pour la capacité de résistance de calcul des cornières supérieure et d'assise.

• Cornières supérieure et d'assise (côté poutre)
  • Plastification en traction                                                         Éq. J4-1, AISC 360-16
  • Rupture en traction                                                           Éq. J4-2, AISC 360-16
  • Compression                                                               Sec. J4.4, AISC 360-16         
  • Cisaillement des boulons                                                                  Éq. J3-1, AISC 360-16          
  • Pression diamétrale et arrachement des boulons                                            Éq. J3-6, AISC 360-16          
  • Arrachement en bloc                                                                 Éq. J4-5, AISC 360-16          
• Cornières supérieure et d'assise (côté poteau)
  • Plastification par cisaillement                                                             Éq. J4-3, AISC 360-16          
  • Rupture par cisaillement                                                              Éq. J4-4, AISC 360-16          
  • Capacité en traction due à l'effort de levier                           Page 9-10, AISC Manual       
• Poutre
  • Pression diamétrale et arrachement des boulons                                            Éq. J3-6, AISC 360-16          
  • Résistance à la flexion                                                        Sec. F13.1, AISC 360-16
  • Arrachement en bloc                                                                 Éq. J4-5, AISC 360-16          
• Poteau
  • Cisaillement de l'âme du panneau                                                         Éq. J10-9, AISC 360-16        
  • Flambement local de la semelle                                                  Éq. J10-1, AISC 360-16        
  • Plastification locale de l'âme                                                         Éq. J10-2, AISC 360-16        
  • Voilement local de l'âme                                                     Éq. J10-4, AISC 360-16        

Les capacités de calcul de toutes les cornières supérieure et d'assise étaient déterminées par la capacité en traction due à l'effort de levier sur les boulons côté poteau. La capacité de calcul de toutes les cornières supérieure et d'assise était déterminée par la capacité en traction due à l'effort de levier.

Analyse IDEA StatiCa

Les dix spécimens d'essai ont été modélisés dans IDEA StatiCa et analysés sous un effort de cisaillement appliqué à une certaine distance du poteau. La distance a été choisie égale à celle entre l'axe du poteau et l'appui de la poutre. L'appui de la poutre est supposé se trouver à 120 po. de l'axe du poteau pour les quatre premiers spécimens, tandis qu'il était à 72 po. pour les six autres spécimens. Tous les spécimens sont défaillants car les cornières supérieures fixées au poteau dépassent la limite de déformation plastique définie à 5 % par le logiciel. 

Les diagrammes moment-rotation ainsi que les résistances déterminées par le calcul traditionnel AISC (bleu) et IDEA StatiCa (orange) sont présentés dans les figures suivantes.

Relation moment-rotation de l'essai n° : 14S1 (gauche) et 14S2 (droite)

Relation moment-rotation de l'essai n° : 14S3 (gauche) et 14S4 (droite)

Relation moment-rotation de l'essai n° : 8S1 (gauche) et 8S2 (droite)

Relation moment-rotation de l'essai n° : 8S3 (gauche) et 8S4 (droite)

Relation moment-rotation de l'essai n° : 8S5 (gauche) et 8S6 (droite)

Analyse ABAQUS

Dans cette section, les résultats d'IDEA StatiCa ont été comparés à ceux du logiciel ABAQUS (2020). Dans cette étude, le spécimen d'essai n° 14S1 a été choisi comme modèle de base. Des simulations numériques avec des conditions quasi identiques (c'est-à-dire en termes de propriétés des matériaux, de conditions aux limites et de chargement) ont été réalisées à l'aide d'IDEA StatiCa et d'ABAQUS. Le modèle a été initialement conçu dans IDEA StatiCa, puis l'assemblage (comprenant la poutre, le poteau, les cornières d'âme et les cornières supérieure et d'assise) a été importé dans ABAQUS via la plateforme de visualisation d'IDEA StatiCa. Ensuite, un modèle simplifié pour les boulons a été conçu et ajouté au modèle ABAQUS.

Configuration du modèle d'assemblage semi-rigide dans ABAQUS

Dans ABAQUS, le type d'élément utilisé était C3D8R (contrainte 3D, brique linéaire à 8 nœuds, intégration réduite), et un total de 562 377 éléments ont été générés dans le modèle. 

Densités de maillage du modèle ABAQUS

Les simulations numériques ont été réalisées sur quatre processeurs (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20 GHz) et chaque simulation a nécessité environ 535 minutes pour s'achever. 

Comparaison de la contrainte de von Mises prédite entre IDEA StatiCa et ABAQUS

Comparaison en vue latérale entre IDEA StatiCa et ABAQUS avec un facteur d'échelle de déformation de dix 

En général, une bonne concordance a été observée entre les résultats des deux logiciels. Cependant, des déformations plus importantes ont été capturées sur les cornières d'âme, les semelles supérieure et inférieure dans le modèle IDEA StatiCa. De plus, les distributions de contraintes sur les cornières d'âme étaient légèrement différentes entre les deux modèles. Cela est très probablement dû au fait que dans le modèle ABAQUS, des éléments solides à intégration réduite ont été utilisés. Dans les deux modèles, il a été constaté que le composant le plus faible de l'assemblage était la semelle supérieure en traction sous l'effort de cisaillement appliqué vers le bas, ce qui introduit de la traction dans la semelle supérieure. 

3 ASSEMBLAGES RIGIDES

Dans ce chapitre, les capacités de résistance de calcul de dix spécimens d'assemblages rigides ont été calculées conformément aux exigences de l'AISC 360 (2016) et de l'AISC Construction Manual (2017). Le spécimen de base a été sélectionné à partir de l'étude expérimentale réalisée par Sato et al. (2007) au Département de génie structurel de l'Université de Californie à San Diego. Le spécimen de base et neuf modèles de variation supplémentaires ont été analysés à l'aide d'IDEA StatiCa, tandis que le spécimen de base a également été analysé à l'aide d'ABAQUS (2020). 

Étude expérimentale sur les assemblages rigides

Trois assemblages moment à platines de semelle boulonnées (BFP) à grande échelle ont été soumis à des essais cycliques à l'Université de Californie à San Diego. Tous les spécimens satisfaisaient aux exigences des AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings pour les assemblages poutre-poteau des portiques à moment spéciaux. La distance de contreventement latéral pour les spécimens a été déterminée conformément à cette disposition. Les déplacements verticaux ont été appliqués par un vérin hydraulique à l'extrémité de la poutre.

Calculs de dimensionnement normatif et comparaisons

Les capacités de résistance de calcul (\(\phi\)R_n) de dix assemblages rigides ont été calculées conformément aux exigences de l'AISC Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2016) et de l'AISC Steel Construction Manual (AISC Manual, 2017). La résistance nominale, R_n, et le facteur de résistance correspondant, \(\phi\), pour chaque état limite de dimensionnement de l'assemblage pour le calcul aux facteurs de charge et de résistance (LRFD) sont fournis dans le Chapitre J de l'AISC 360.

Capacité de résistance de calcul des platines d'âme simples

Les huit vérifications normatives suivantes ont été effectuées conformément aux équations de dimensionnement LRFD incluses dans l'AISC 360 ou l'AISC Manual pour les capacités de résistance de calcul des platines d'âme simples.

• Platine d'âme
  • Cisaillement des boulons                                                                 Éq. J3-1, AISC 360-16
  • Pression diamétrale et arrachement des boulons                                           Éq. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastification par cisaillement                                                            Éq. J4-3, AISC 360-16
  • Rupture par cisaillement                                                             Éq. J4-4, AISC 360-16          
  • Arrachement en bloc                                                                 Éq. J4-5, AISC 360-16
  • Cisaillement des soudures                                                                  Éq. 8-2, AISC Manual
• Poutre
  • Cisaillement des boulons                                                                  Éq. J3-1, AISC 360-16
  • Pression diamétrale et arrachement des boulons                                            Éq. J3-6, AISC 360-16

Parmi les capacités de calcul calculées pour les dix spécimens d'essai, la capacité de calcul du modèle 2 était déterminée par la rupture par cisaillement, tandis que le cisaillement des boulons conduisait à la rupture pour les huit autres spécimens.

Capacité de résistance de calcul des platines de semelle

Les 13 vérifications normatives suivantes ont été effectuées conformément aux équations de dimensionnement LRFD incluses dans l'AISC 360 ou l'AISC Manual pour les capacités de résistance de calcul des platines de semelle.

• Platine de semelle
  • Cisaillement des boulons                                                                 Éq. J3-1, AISC 360-16
  • Pression diamétrale et arrachement des boulons                                             Éq. J3-6, AISC 360-16          
  • Plastification en traction                                                          Éq. J4-3, AISC 360-16          
  • Rupture en traction                                                            Éq. J4-4, AISC 360-16          
  • Arrachement en bloc                                                                 Éq. J4-5, AISC 360-16          
  • Compression                                                               Sec. J4-4, AISC 360-16         
• Poutre
  • Pression diamétrale et arrachement des boulons                                             Éq. J3-6, AISC 360-16          
  • Flexion                                                                       Sec. F13.1, AISC 360-16
  • Arrachement en bloc                                                                 Éq. J4-5, AISC 360-16          
• Poteau
  • Cisaillement de l'âme du panneau                                                          Éq. J10-9, AISC 360-16        
  • Flambement local de la semelle                                                   Éq. J10-1, AISC 360-16        
  • Plastification locale de l'âme                                                        Éq. J10-2, AISC 360-16        
  • Voilement local de l'âme                                                     Éq. J10-4, AISC 360-16        

Parmi les capacités de calcul calculées pour les dix spécimens d'essai, la capacité de calcul de sept spécimens était déterminée par le cisaillement de la zone d'âme du panneau, deux spécimens étaient déterminés par le cisaillement des boulons et un spécimen était déterminé par l'arrachement en bloc. Les capacités en moment des spécimens ont été calculées en multipliant la capacité de calcul déterminante par le bras de levier tel qu'indiqué dans le Tableau 3.5. Le bras de levier est égal à la hauteur de la poutre pour le cisaillement des boulons, tandis qu'il est égal à la somme de la hauteur de la poutre et de l'épaisseur de la platine pour les résistances au cisaillement de la zone d'âme du panneau et à l'arrachement en bloc (BFP, modèles 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 8). 

Analyse IDEA StatiCa

Les dix spécimens d'assemblages acier rigides ont été modélisés dans IDEA StatiCa et analysés sous un effort de cisaillement appliqué à 177,5 po. de l'axe du poteau, comme dans le rapport d'essai. L'effort de cisaillement a été augmenté de manière incrémentale jusqu'à ce que les assemblages atteignent leurs capacités dans IDEA StatiCa. 

Analyse ABAQUS

Dans cette section, les résultats d'IDEA StatiCa ont été comparés au logiciel ABAQUS (version 2020). L'essai BFP a été choisi comme modèle de base. Des simulations numériques avec des conditions quasi identiques (c'est-à-dire en termes de propriétés des matériaux, de conditions aux limites et de chargement) ont été réalisées à l'aide d'IDEA StatiCa et d'ABAQUS. Le modèle a été initialement conçu dans IDEA StatiCa, puis l'assemblage (comprenant la poutre, le poteau et les platines) a été importé dans ABAQUS via la plateforme de visualisation d'IDEA StatiCa. Ensuite, un modèle simplifié pour les boulons a été conçu et ajouté au modèle ABAQUS.

Configuration du modèle dans ABAQUS

Dans ABAQUS, le type d'élément utilisé était C3D8R (contrainte 3D, brique linéaire à 8 nœuds, intégration réduite), et un total de 681 016 éléments ont été générés dans le modèle. Les simulations numériques ont été réalisées sur huit processeurs (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20 GHz) et la simulation a nécessité environ 685 minutes. 

Une bonne concordance a été observée entre les résultats des deux logiciels. Les distributions de contraintes sur la poutre et le poteau étaient très proches. Cependant, des contraintes légèrement plus élevées ont été prédites sur le poteau, la platine 1 et les raidisseurs dans le modèle ABAQUS, ce qui est très probablement dû à la nature de la contrainte de liaison. Les charges prédites sur les boulons et les groupes de soudures étaient également très proches entre les deux logiciels. 

4 SYNTHÈSE ET CONCLUSIONS

IDEA StatiCa est un logiciel d'analyse par éléments finis (AEF) basé sur les composants pour la conception d'assemblages acier. Il peut être utilisé pour l'évaluation structurelle ou la conception d'une variété d'assemblages acier soudés et boulonnés et de platines de base. L'objectif principal de ce rapport était de vérifier les résultats d'AEF obtenus à partir du logiciel IDEA StatiCa pour trois types d'assemblages acier couramment utilisés aux États-Unis (c'est-à-dire simples, semi-rigides et rigides) conformément aux codes de construction américains. La réponse expérimentale mesurée était disponible pour les spécimens d'assemblage sélectionnés à des fins de vérification dans cette étude. Pour chaque type d'assemblage et ses dix variantes, les vérifications normatives et les calculs ont d'abord été effectués conformément aux exigences de l'AISC 360, Specification for Structural Steel Building (2016), et de l'AISC Steel Construction Manual (2017). Les résultats ont ensuite été comparés aux prédictions d'IDEA StatiCa. De plus, les résultats d'IDEA StatiCa ont été comparés à ceux d'ABAQUS, un autre logiciel EF robuste disponible sur le marché. Les réponses mesurées des spécimens d'essai ont également été utilisées pour comparer et mieux comprendre le comportement global et le mode de rupture des modèles d'assemblage.

En général, une bonne concordance a été observée entre les résultats d'IDEA StatiCa, les vérifications normatives selon les codes américains et les résultats d'ABAQUS. Les résultats calculés diffèrent de ceux obtenus avec IDEA StatiCa, possiblement parce que l'AISC est un code de dimensionnement qui peut être conservatif, tandis que le logiciel vise à reproduire le comportement réel, qui est censé être plus précis.

Bien qu'il existe de nombreux logiciels d'AEF sur le marché capables de prédire la réponse structurelle globale à diverses conditions de chargement, il manque d'outils AEF spécialisés axés sur la conception d'assemblages. Par rapport aux autres logiciels d'AEF disponibles sur le marché, IDEA StatiCa présente de nombreux avantages. Outre sa facilité d'utilisation, la caractéristique la plus importante d'IDEA StatiCa s'est avérée être le temps de calcul, les résultats pouvant être obtenus en une fraction du temps par rapport aux logiciels EF conventionnels tels qu'ABAQUS. Cela aidera les ingénieurs à évaluer et à modifier leur conception préliminaire d'assemblage plus rapidement et de manière plus efficace si des modifications sont nécessaires. De plus, dans les logiciels d'AEF courants, les charges et les capacités des composants de l'assemblage (c'est-à-dire les boulons, les soudures, les platines) doivent être extraites du modèle lors de la phase de post-traitement, ce qui est une tâche fastidieuse et chronophage. Cependant, dans IDEA StatiCa, les résultats sont directement calculés et reportés. De plus, dans IDEA StatiCa, la charge peut être directement appliquée à n'importe quel emplacement ou composant de l'assemblage, tandis que dans les logiciels EF classiques, cela doit être réalisé en définissant un point de référence puis en le couplant avec l'assemblage, ce qui constitue une étape supplémentaire.

Une légère divergence a cependant été constatée au niveau des contacts définis entre les platines et les faces du poteau/de la poutre, bien que le même type d'analyse ait été effectué, c'est-à-dire en petites déformations. Cela pourrait être dû aux différences entre les éléments solides et les éléments de coque ou aux algorithmes de contact utilisés dans les deux logiciels. De plus, la manière dont IDEA StatiCa calcule et utilise la taille d'élément optimale n'était pas claire. Par ailleurs, en raison de la limite de déformation plastique recommandée de 5 % par l'Eurocode (EN1993-1-5 ann. C par. C8 note 1), définie comme valeur par défaut dans le logiciel IDEA StatiCa, différents modes de rupture ont été observés. 

Grâce aux capacités de modélisation et d'analyse rapides et faciles des assemblages d'IDEA StatiCa, une modélisation non linéaire complexe et une analyse dynamique chronophage de grandes structures acier peuvent être réalisées relativement rapidement. Les propriétés des assemblages dans les structures à portiques poutre-poteau peuvent être définies sur la base des analyses et des vérifications normatives effectuées dans IDEA StatiCa. Le modèle d'assemblage peut ensuite être révisé et ré-analysé si nécessaire après que l'analyse du portique est terminée à l'aide d'un logiciel d'analyse structurelle, par exemple SAP2000. Les assemblages peuvent être rendus plus faibles ou plus résistants dans IDEA StatiCa en fonction des performances optimales souhaitées du modèle de portique structurel. Une approche simple et plus robuste pour développer la réponse moment-rotation des assemblages dans IDEA StatiCa serait très utile, car dans des programmes comme SAP2000, la réponse moment-rotation des assemblages doit être définie dans le cadre de la modélisation des structures à portiques.

La qualité du logiciel IDEA StatiCa dépend de son interface graphique utilisateur (GUI). Si la GUI n'est pas bien conçue, les utilisateurs auront des difficultés à utiliser l'application ou le logiciel. IDEA StatiCa l'a bien conçue. En plus d'une bonne GUI, la qualité du logiciel est également notable. Le respect d'un ensemble de conventions ou de normes garantit la cohérence et facilite la navigation des utilisateurs dans le logiciel. Un langage standard et cohérent garantit que les utilisateurs comprendront les termes lorsqu'ils les rencontrent. Les modèles sont facilement modifiables, permettant une exploration rapide des variables et des vérifications.

Le logiciel est régulièrement mis à jour, avec notamment des temps de chargement plus rapides et des corrections de bogues pour améliorer l'expérience utilisateur globale.

Références

[1] AISC (2016). "Specification for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 360-16, Chicago, Illinois.

[2] AISC (2017). "Steel Construction Manual," 15^e édition, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

[3] McMullin, K. M., & Astaneh-Asl, A. (1988). Analytical and experimental studies of double-angle framing connections. Structural Engineering, Mechanics, and Materials, Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley.

[4] ABAQUS 2020, Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, RI, USA.

[5] IDEA StatiCa s.r.o., Sumavska 519/35, Brno, 602 00 Czech Republic; https://www.ideastatica.com/support-center/general-theoretical-background

[6] Azizinamini, A., Bradburn, J. H., and Radziminski, J. B. (1985). Static and cyclic behavior of semi-rigid steel beam-column connections. University of South Carolina.

[7] Sato, A., Newell, J., and Uang, C. M. (2007). Cyclic testing of bolted flange plate steel moment connections for special moment frames. Final Report to American Institute of Steel Construction.

La version complète du rapport peut être téléchargée via le lien ci-dessous : 

Téléchargements joints

• Final Report_OSU.pdf (PDF, 7,2 MB)