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ETUDE NUMERIQUE DU COMPORTEMENT DES ASSEMBLAGES BOULONNES AVEC PLATINE D’ABOUT

ETUDE NUMERIQUE DU COMPORTEMENT DES ASSEMBLAGES BOULONNES AVEC PLATINE D’ABOUT A. ABIDELAH1,2, A. BOUCHAÏR2, D. KERDAL1, N. KAID1, K. AYED3 1 Faculté d’Architecture et de Génie Civil, Département de Génie Civil, Université des Sciences et de la Technologie Mohamed Boudiaf d’Oran 31000, Algérie, Abidelah@gmail.com 2 LaMI, Université Blaise Pascal - BP 206-63174 Aubière Cedex, France 3 LabMat, Département de Génie Civil ENSET-Oran, Algérie. Résumé : Le présent papier est consacré à l’étude de l’influence de la présence des raidisseurs de platine d’about sur le comportement des assemblages métalliques boulonnés. Une étude numérique par éléments finis pour la caractérisation du comportement non linéaire des assemblages métalliques de type poteau- poutre cruciformes avec attaches boulonnées et platine d’about est effectuée. L'analyse numérique est basée sur un modèle tridimensionnel avec des éléments volumiques à 8 nœuds en utilisant le logiciel d’éléments finis CAST3M. Le modèle tient compte des non linéarités matérielles et géométriques (contact, plasticité, grands déplacements). Ce modèle est calibré sur la base de résultats expérimentaux de quatre assemblages avec différentes configurations géométriques. Aussi, pour valider le modèle développé, ses résultats sont confrontés aux formulations analytiques de l’Eurocode 3. Mots clés : Assemblage poteau-poutre, Raidisseur de platine, Semi rigidité, Analyse non-linéaire, Modélisation, Eléments finis. "SICZS_2010" Symposium International sur la Construction en Zone Sismique Université Hassiba Benbouali de Chlef (Algérie), 26 – 27 octobre 2010 2 1- Introduction : Les assemblages boulonnés par platine d’about sont largement utilisés dans les structures métalliques en raison de la simplicité de leur réalisation, de leur fabrication économique ainsi que de la facilité de leur mise en œuvre [Trahair 2007, Owens 1989, Kulak 1987]. Toutefois, leur comportement et analyse est extrêmement complexe du fait de la variation du nombre de rangées de boulons, de l'espacement des boulons, des dimensions de la platine d’about qui peut-être débordante ou non débordante, des dimensions des poteaux et des poutres, de la force de précontrainte dans les boulons, des propriétés mécaniques de l'acier et des surfaces de contact ainsi que la présence des raidisseurs [Maggi 2005]. Les travaux de recherches [Adey 2000, De Lima 2004, Coelho 2006, Shi 2007a, Shi 2007b, Gang 2008] qui ont été effectués durant la dernière décennie pour étudier les détails d’assemblages sur leur comportement ne fournissent que des informations limitées et en particulier sur les raidisseurs de platine d’about débordante qui sont utilisés en Algérie (Figure 1). Ces raidisseurs sont utilisés pour raidir la partie prolongée de la platine d’about et assurer la continuité de l'âme de la poutre afin d’augmenter la rigidité de la platine et/ou sa résistance tout en réduisant son épaisseur [Gang Shi 2008]. Toutefois, la présence de ces raidisseurs peut modifier la distribution des efforts et par conséquent le mode de déformation et de ruine de l’assemblage [Mimoune 2003]. Ce procédé est aussi répandu particulièrement aux Etats-Unis et au Japon suite aux tremblements de terre de Northridge (Etats Unis d’Amérique, 1994) et Hyokogen-Nanbu (Japon, 1995). Actuellement, la méthode des composantes de l’Eurocode 3 est la procédure utilisée pour la caractérisation du comportement des assemblages boulonnés avec platine d’about. Cependant, cette méthode l n’indique pas comment les composants de l’assemblage se déforment en présence des raidisseurs de platine d’about et ne fournitt pas d'aide aux concepteurs pour dimensionner ce type d’assemblages. A cet effet, une meilleure compréhension du comportement de ce type d’assemblages est d’une importance primordiale [Shi 2007]. Les travaux de recherches sur l’influence des raidisseurs de platine d’about sur le comportement des assemblages rapportés dans la littérature montrent que les assemblages avec platine d’about raidie présentent un meilleur comportement par rapport aux assemblages non raidies en particulier en terme de moment résistant dans les régions où l'intensité sismique est élevée [Ghobarah 1990, Korol 1990, Ghobarah 1992, Mazroi 1990, Tsai 1990, Seradj 1997 Adey et al. Adey 2000, Shi 2007 a, Shi 2007 b]. En effet, ces raidisseurs peuvent limiter les déformations de la plaque d'about dans cette partie débordante et empêcher la concentration des contraintes dans la plaque d'about au niveau de la semelle tendue de la poutre. Cet article présente d'abord une description courte du programme expérimental utilisé à la base du calibrage du modèle numérique qui constitue sa contribution principale. Des résultats d’essais sont présentés sous la forme de courbes moment-rotation. En outre, un modèle numérique par éléments finis, tridimensionnel et non linéaire, pour caractériser le comportement réel des assemblages avec platines d'about boulonnées jusqu’à la ruine est présenté. Les résultats obtenus à partir des modèles numériques en terme de moment-rotation sont comparés aux résultats expérimentaux pour vérifier et calibrer l'approche proposée. Une fois le modèle validé, il est employé pour simuler la déformée des assemblages. Ces informations fournissent une base de données pour développer les modèles mécaniques des assemblages conformes à la méthode des composantes proposée par l'EC3. "SICZS_2010" Symposium International sur la Construction en Zone Sismique Université Hassiba Benbouali de Chlef (Algérie), 26 – 27 octobre 2010 3 M Raidisseurs : zones tendue et comprimée Figure 1 : Assemblages avec raidisseurs de platine d’about débordante 2. Approche expérimentale 2.1 Description du programme expérimental Afin d'examiner la fiabilité du modèle, quatre assemblages métalliques poteau-poutre boulonnées ont été testés expérimentalement au LaMI de l’Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand. La figure 2 montre les schémas détaillés des assemblages des différents spécimens. Le premier (FS1) est un assemblage par platine d’about non débordante avec trois rangées de boulons. Le deuxième (FS2) est un assemblage par platine d’about débordante dans sa zone tendue. Le troisième (FS3) est un assemblage de géométrie identique à celui de l’assemblage FS2, avec la présence d’un raidisseur de platine dans la zone tendue. Le quatrième (FS4) est un assemblage boulonné par platine d’about débordante raidis dans les zones tendue et comprimée de l'assemblage. Pour tous les assemblages testés, on a utilisé pour le poteau une section en HEA120 et pour la poutre une section en IPE240 en acier S235. L’épaisseur de la platine est égale à 15 mm pour les quatre assemblages. Les boulons utilisés sont de type M16 de classe 8-8. Les liaisons semelle-platine et âme- platine ont été réalisées par des soudures en bout, à pleine pénétration par un double cordon d’angle (d'épaisseur moyenne de 6 mm). Nous pouvons relever, à partir des caractéristiques géométriques, que le spécimen FS2 peut être considéré comme spécimen de référence. Le reste des spécimens peut être déduit par simple modification d’un ou deux paramètres à partir du spécimen de référence FS2. (FS1) (FS2) (FS3) (FS4) Figure 2 : Configuration des différents spécimens L’essai d’assemblage poteau-poutre est réalisé en flexion 3 points. Le chargement appliqué est de type monotone croissant avec des cycles entiers de chargement déchargement pour suivre l’évolution de la rigidité de chaque assemblage pour différents niveaux de chargement. Les essais ont été menés en contrôlant les déplacements afin de pouvoir suivre les parties descendantes sur les courbes force- déplacement. Les moyens de mesure utilisés sont constitués d’inclinomètres, capteurs de forces et capteurs de déplacements (Figure 3). Zone tendue Zone comprimée "SICZS_2010" Symposium International sur la Construction en Zone Sismique Université Hassiba Benbouali de Chlef (Algérie), 26 – 27 octobre 2010 4 Figure 3 : Montage d’essai 2.2 Paramètres principaux des courbes moment-rotation Une courbe moment-rotation est caractérisée par les paramètres principaux suivants [Coelho 2004-a] : le moment élastique M0, la rotation élastique Ф0 correspondante à M0, la rigidité initiale Sj,ini, la rigidité post-limite Sj,p-l, le moment de résistance plastique Mp correspondant au point d'intersection de deux lignes obtenues par la rigidité initiale et la rigidité post-limite, la capacité de rotation Фcd, le moment de flexion maximal Mu et sa rotation correspondante Фu, la zone de transition entre la rigidité initiale Ф0 et la rigidité post-limite Фpl avec sa frontière inférieure M0 et sa frontière supérieure Mpl. La ductilité d'un assemblage est définie par le coefficient ψj= Фcd / Фp [Coelho 2004-b]. Ces paramètres sont représentés sur la figure 4 qui montre la courbe moment rotation de l’assemblage FS1. Figure 4 : Paramètres principaux de la courbe moment-rotation (M-Φ) : Essai FS1 Les principaux paramètres caractérisant le comportement moment rotation des assemblages (FS1, FS2, FS3 et FS4) sont déterminés pour les différents essais à partir de la courbe moment-rotation obtenue à partir de la flèche. Les valeurs trouvées sont données dans le tableau 1 suivant et les différentes courbes moments rotations des assemblages testés sont représentées sur la figure 5. Tableau 1 : Paramètres principaux des courbes moment-rotation (essais FS1à FS4) Résistance (kN.m) Rigidité (kN.m /rad) Rotation (mrad) Ductilité Spécimen M0 Mp Mpl Mu Sj,ini Sj,p-l Ф0 Фp Фp1 Фu ФCd Ψj1 FS1 16 29 38 44 3169 488 3 5 23 49 55 11 FS2 26 40 53 58 6131 631 7 4.9 27 49 59 12 FS3 25 46 59 63 6991 696 4 6.5 26 36 49 7.5 FS4 38 56 71 77 7534 708 7 10 32 50 62 6.2 "SICZS_2010" Symposium International sur la Construction en Zone Sismique Université Hassiba Benbouali de Chlef (Algérie), 26 – 27 octobre 2010 5 Figure 5 : Courbes moment rotation des assemblages testés 2.3 Analyse des résultats uploads/Industriel/aaaaaa.pdf