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Analyse numerique du comportement dassemblages

metalliques. Approche numerique et validation

experimentale

Anis Abidelah

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Anis Abidelah. Analyse numerique du comportement dassemblages metalliques. Approchenumerique et validation experimentale. Mechanical engineering. Universite Blaise Pascal -Clermont-Ferrand II, 2009. French. .

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NDU : 1965 Anne 2009 NED : 455

UNIVERSIT BLAISE PASCAL CLERMONT II

ECOLE DOCTORALE

SCIENCES POUR LINGNIEUR DE CLERMONT-FERRAND

ThsePrsente par

ABIDELAH Anis

Ingnieur Gnie Civil U.S.T.O. Algrie

Pour obtenir le grade de :

DOCTEUR DUNIVERSITSPCIALIT : GNIE CIVIL

Analyse numrique du comportement dassemblages mtalliques

-Approche numrique et validation exprimentale-

Soutenue publiquement le 22/10/2009, devant le jury compos de :

Messieurs A. Khelil RapporteurM. Mimoune RapporteurJ. Averseng Examinateur

J. Bujnak ExaminateurJ.P. Muzeau ExaminateurA. Bouchar Directeur de thse (France)D. Kerdal Directeur de thse (Algrie)

Thse en co-tutelle prpare au Laboratoi re de Mcanique et Ingnieries (Universit Blaise

Pascal) et la Facul t de Gnie Civil(Universit des Sciences et de la Technologie dOran)

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Avant propos

Le travail de thse prsent dans ce mmoire a t men en cotutelle entre le Laboratoire deMcanique et Ingnieries de lUniversit Blaise Pascal (Clermont-Ferrand) et la Facult de Gnie Civilde lUniversit des Science et de la technologie d'Oran (Algrie). Comme tout travail de recherche, ilfut instructif et passionnant, tout en tant constitu de tches souvent ardues et dcourageantes. Jetiens donc remercier les personnes qui mont apport leur soutien et permis ainsi de mener termece travail.

Tout dabord, je tiens exprimer ma profonde reconnaissance M. Abdelhamid BOUCHAR,Professeur PolytechClermont-Ferrand et M. Djamel KERDAL, Professeur lUniversit desSciences et de la Technologie d'Oran (Algrie) qui mont fait lhonneur de diriger ce travail. Ils ont tles personnes qui mont initi au travail de recherche. A travers nos discussions, souvent longues mais

toujours fructueuses, ils mont amen avoir un regard critique sur un nombre de phnomnes, quiparaissaient souvent tre des vidences. Ce nest quavec le recul qu prsent je comprends que cestjustement ce travail de rflexion qui est la base de tout savoir. Je tiens leur assurer de mon profondrespect et sympathie.

Je tiens galement remercier M. Jean Pierre MUZEAU, Professeur PolytechClermont-Ferrand,davoir prsid mon jury de thse.

Je remercie Monsieur Abdelouahab KHELIL Professeur lIUT Nancy Brabois et Monsieur MostefaMIMOUNE, Professeur lUniversit de Constantine (Algrie), pour avoir accept de rapporter cetravail. Je tiens les remercier pour le temps quils ont consacr cette tche ainsi que pour lesfructueuses remarques qui ont permis damliorer ce mmoire.

Je remercie Monsieur Julien AVERSENG, Matre de confrences lIUT de Nimes, pour sadisponibilit, ses conseils et son soutien moral qu'il na cess de mapporter.

Jexprime aussi ma sincre reconnaissance Monsieur Jan BUJNAK, Professeur et Recteur delUniversit de Zilina, davoir accept dexaminer ce travail.

Ma reconnaissance va plus gnralement l'ensemble des personnels techniques du Laboratoire deMcanique et Ingnieries (Hall dessais Gnie Civil), en mentionnant le rle particulirement actif au

plan technique de Messieurs Francisco, Jrme et Philipe.

Je souhaite exprimer ma sympathie toutes les personnes que jai ctoyes au LaMI ainsi qulUniversit d'Oran, pour avoir, trs agrablement rythm ces annes de thse.

Enfin, je remercie mes parents, ma famille et mes proches pour leur soutien et leurs encouragements,

sans lesquels je naurais jamais pu arriver au bout de mes projets.

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Rsum

Le travail prsent dans ce mmoire porte sur le comportement des assemblages mtalliquesboulonns avec platine dabout.

La premire partie caractre exprimentale,dcrit deux sries dessais sur des assemblagesmtalliques avec platine dabout boulonne sous chargement monotone raliss auLaboratoire de Mcanique et Ingnieries (LaMI), Universit Blaise Pascal (Clermont-Ferrand). Ces deux sries concernent des assemblages de type poteau-poutre ou poutre-poutre.Au total huit types dassemblages avec diffrentes configurations gomtriques ont t tests

pour valuer leur rsistance, leur rigidit et leur capacit de rotation. Les paramtres tudissont les caractristiques dimensionnelles de la platine dabout (dbordante ou non dbordante)et le renfort de la platine dabout. Les rsultats obtenus ont permis de caractriser lecomportement non linaire dassemblages mtalliques avec platines dabout boulonnes et

d'analyser la contribution de certaines composantes la rotation globale.La deuxime partie est consacre au dveloppement d'un modle numrique tridimensionnelnon linaire avec des lments volumiques 8 nuds laide du logiciel dlments finisCAST3M. Le modle permet de suivre le comportement rel des assemblages avec platinedabout boulonne jusqu la ruine. Il tient compte des non linarits matrielles etgomtriques (contact, plasticit, grands dplacements). Pour valider le modle numrique,ses rsultats sont compars ceux issus de lexprimentation. Aussi, pour garder un aspectapplicatif au modle dvelopp, ses rsultats sont confronts aux formulations analytiques delEurocode 3. Le modle a permis danalyser lvolution des champs de contraintes et de la

plasticit dans diffrentes zones de lassemblage. Il a permis aussi de confirmer les

observations exprimentales concernant linfluence du raidisseur de platine sur le mcanismede transfert des efforts travers son extrmit. Une tude paramtrique sur l'influence, de laposition des raidisseurs de la platine dabout et de la rigidit du poteau, sur le comportementglobal de l'assemblage est effectue.

Dans la troisime partie, linfluence de la flexion du boulon sur le comportement des trononsen t, qui reprsentent la zone tendue de lassemblage, est analyse en utilisant un modlelments finis 3D. Comme pour le modle dassemblages, celui dvelopp pour les trononsen t tient compte des non linarits matrielles et gomtriques. Une tude paramtrique estmene pour valuer les effets de paramtres tels que la dimension du tronon en t, la rigiditde la rondelle, la position du boulon et lpaisseur de la semelle sur le comportement destronons en t et en particulier la flexion du boulon. Un regard particulier est port linfluence du moment flchissant sur le comportement du boulon, habituellement considrsollicit en traction seule.

Mots cls : Assemblage, Raidisseur, Semi-rigidit, Analyse non-linaire, Modlisationlments finis, Tronon en t, Boulon, Interaction M/N.

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Abstract

The research presented in this thesis deals with the behaviour of steel bolted endplateconnections.

The first part, with experimental character, describes two series of tests on endplateconnections realized at the Laboratoire de Mcanique et Ingnierie (LaMI), Blaise PascalUniversity (Clermont-Ferrand). These two series concern connections of beam-to-colum or

beam-to-beam types. Thus, eight specimens of connections, with various geometricalconfigurations, were tested to estimate the resistance, the rigidity and the rotation capacity.The studied parameters are the dimensional characteristics of the endplate (flush or extended)and its reinforcement. The results obtained allowed the characterization of the nonlinear

behavior of bolted steel connections with endplates and the analysis of the contribution ofsome components on the global rotation of the connection.

The second part is dedicated to the development of a non linear three-dimensional numericalmodel using finite element software CAST3M. The model allows following the real behaviorof the endplate connection up to failure. It takes into account the material and geometrical nonlinearity (contact, plasticity, large displacements). To validate the numerical model, its resultsare compared with those from the experiment. So, to keep a practical aspect to the developedmodel, its results are confronted with the analytical formulations of Eurocode 3. The modelallowed the analysis of the evolution of the stresses and the plasticity in various zones of theconnection. It confirmed the experimental observations concerning the influence of theendplate stiffener on the mechanism of transfer of loads through its extremity. A parametricstudy is done to analyze the influence of the position of the endplate stiffener and the column

stiffness on the global behavior of the connection.In the third part, the influence of the bolt bending on the behavior of the T-stubs, whichrepresent the tension zone of the connection, is analyzed using a 3D finite elements model. Asfor the model of the connections, the model developed for the T-stubs takes into account thematerial and the geometrical non linearity. A parametrical study is done to estimate the effectsof parameters such as the dimension of the T-stub, the rigidity of the washer, the position ofthe bolt and the thickness of the flange on the behavior of the T-stub and in particular the

bending of the bolt. A particular look is carried on the influence of the bending moment onthe behavior of the bolt, usually considered loaded only in tension.

Key words: Connection, Stiffener, Semi-rigidity, Non-linear analysis, Finite elementsmodeling, T-stub model, Bolt, Interaction M/N.

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Sommaire

Avant propos

Rsum

Abstract

Sommaire

Liste des figures 10

Liste des tables 25

Introduction gnrale 17

Chapitre I: Etude bibliographique

1-

Introduction 25

2-

Dfinitions 25

3-

Configurations d'assemblages poutre-poteau 26

3.1 Assemblages poutre-poteau par platine d'about 27

3.2

Assemblage poteau-poutre par cornire d'me et ou de semelle 28

3.3 Assemblages de continuit de poutres ou de poteaux 28

4-

Caractrisation du comportement des assemblages 29

5- Classification des assemblages mtalliques 31

5.1

Classification des assemblages en rigidit 31

5.2

Classification des assemblages par la rsistance 32

5.3 Classification des assemblages par capacit de rotation 32

6-

Modlisation des assemblages en vue de lanalyse globale des structures 33

7- Modlisation des courbes Moment-Rotation 34

8-

Renforcement dassemblages 35

9- Comportement dassemblages par platine d'about boulonne 37

9.1

Etudes exprimentales des assemblages 38

9.1.1

Assemblages non renforcs 38

9.1.2

Assemblages renforcs par raidisseur de platine 42

9.2

Modles lments finis 46

9.2.1 Modlisation bidimensionnelle des assemblages 46

9.2.2

Modlisation tridimensionnelle des assemblages 48

9.3 Approche analytique de calcul des assemblages selon lEC3 53

9.3.1

Prsentation de la mthode des composantes 53

9.3.2 Identification des composantes 54

9.3.3

Evaluation des caractristiques des assemblages 56

10-

Comportement de la zone tendue dassemblage (tronon en t) 61

10.1

Fonctionnement du tronon en t 61

10.2

Modle thorique du tronon en t 62

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10.2.1 Rsistance du tronon en t 62

10.2.2

Rigidit du tronon en t 64

10.2.3

Longueur efficace du tronon en t 65

10.3 Modlisation de la zone tendue dun assemblage mtallique 65

11-

Conclusion 69

Chapitre II- Etude exprimentale dassemblages poteau-poutre et poutre-poutre

1-

Introduction 73

2- Assemblage poteau-poutre 73

2.1

Description des assemblages 73

2.2

Proprits mcaniques des matriaux des essais 75

2.3

Dispositif dessai 76

2.4

Dispositif de mesures et calcul des rotations 77

2.5

Procdure de chargement 80

2.6

Approche analytique de calcul des assemblages selon lEC3 81

2.7 Rsultats d'essais 81

2.7.1

Observation et modes de ruine dessais 81

2.7.2 Description gnrale du comportement des spcimens 82

3-

Assemblage poutre-poutre avec platine dabout boulonne 92

3.1

Description des assemblages 92

3.2 Proprits mcaniques 93

3.3

Dispositif dessai 93

3.4 Dispositifs de mesure 94

3.5

Modes de ruine 94

3.6 Description gnrale du comportement des spcimens 94

3.7

Confrontation du modle EC3 avec lexprience 96

3.8

Efforts dans les boulons 97

4-

Conclusions 99

Chapitre III- Modlisation numrique et validation par rapport aux essais

1- Introduction 103

2-

Description du modle lments finis (assemblages poteau-poutre) 103

3- Rsultats dessais numriques 105

3.1

Assemblage poteau-poutre 105

3.1.1 Validation du modle 105

3.1.2

Dformes des assemblages 107

3.1.3

Dforme de la platine dabout 108

3.1.4 Rpartition des contraintes dans les boulons 110

3.1.5

Rpartition des contraintes dans la platine dabout 114

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3.2 Etude paramtrique 116

3.2.1

Assemblage avec platine non dbordante (poteau indformable) 116

3.2.2

Assemblage avec platine dbordante (position du raidisseur) 119

3.3 Assemblage poutre-poutre 124

3.3.1

Description du modle lments finis dassemblages 124

3.3.2 Rsultats de calculs numriques dassemblages poutre-poutre 125

4-

Conclusions 129

Chapitre IV- Analyse numrique : zone tendue et interaction M/N boulons

1-

Introduction 133

2-

Dveloppement dune modlisation numrique du tronon en t 134

2.1

Approche Analytique 136

2.2

Force de levier (rsultante, rpartition et position) et force dans le boulon 137

2.3

Evolution des zones de plasticit 139

3-

Etude du boulon (sous M/N) 140

3.1 Efforts sollicitants dans le boulon 140

3.2

Courbe dInteraction M / N du boulon 142

4- Analyse de linfluence de la gomtrie du tronon en t 143

4.1 Influence de la dimension effl du tronon en t 143

4.2

Influence de leffort de levier 146

4.3

Effet de la position des boulons 147

4.4 Etude de la variation de lpaisseur de la semelle du tronon en t 149

4.4.1

Effet de la variation dpaisseur de semelle (courbes force-dplacement) 149

4.4.2 Effet de la force de levier sur le comportement du tronon en t 150

4.4.3

Effet de lpaisseur de semelle du tronon sur la dformation du boulon 151

5- Conclusions 152

Conclusion gnrale et perspectives 153

Rfrences bibliographiques 159

AnnexesAnnexe A - Liste des composantes couvertes par lEC3 169

Annexe B - Formulation utilise par l'EC3 171

Annexe C - Caractristiques des assemblages tests 174

Annexe D - Exemple de calcul dassemblage selon lEC3 179

Annexe E - Longueur efficace (semelle de poteau et platine d'about) selon l'EC3 189

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Liste des figures

Chapitre I

Figure I-1 : Configurations d'assemblages dans le plan

Figure I-2 : Dfinition de la zone d'attache et de l'assemblage (assemblage poteau-poutre)

Figure I-3 : Diffrents types dassemblages dans une structure mtallique

Figure 1-4 : Assemblage poteau poutre par platine dabout boulonne

Figure I-5 : Exemple d'assemblage tridimensionnel

Figure I-6 : Assemblage poutre-poteau par cornires d'me et/ou des semelles

Figure I-7 : Assemblage de continuit de poutre

Figure I-8 : Assemblage de continuit de poteau

Figure I-9 : Comportement des assemblages mtalliques

Figure I-10 : Courbe momentrotation dun assemblage mtallique

Figure I-11 : Limites de classification de rigidit

Figure I-12 : Limites de classification en rsistance

Figure I-13 : Classification des assemblages selon la capacit de rotation

Figure I-14 : Modlisation d'un assemblage [Jaspart 1998]

Figure I-15 : Idalisations de courbes Moment-Rotation de l'assemblage

Figure I-16 : Moyens de renforcement des assemblages selon l'EC3

Figure I-17 : Assemblages avec raidisseurs de platine dabout dbordante

Figure I-18 : Types dassemblage

Figure I-19 : Dispositif dessai

Figure I-20 : Diagramme dinteraction M/N (diffrentes composantes de lassemblage)

Figure I-21 : Diagramme dinteraction M/N (diffrentes caractristiques de courbe M-)

Figure I-22 : Modle analytique dassemblage poteau-poutre (interaction M/N)

Figure I-23: Montage dessai d'assemblage par platine dabout [Coelho 2006]

Figure I-24 : Dforme du tronon en t de lassemblage et la flexion du boulon

Figure I-25 : Mesure de la sparation des platines dabouts [Mazroi 1990]

Figure I-26 : Dtail de la platine dabout teste [Seradj 1997]

Figure I-27 : Essai d'assemblage par platine dabout raidie [Shi 2007]

Figure I-28: Dformes des assemblages tests

Figure I-29 : Gomtrie des raidisseurs de platine dabout boulonne

Figure I-30: Modles lments finis 2D [Jenkins1986]

Figure I-31 : Courbes M-(comparaison essais et MEF) [Jenkins 1986]

Figure I-32 : Courbes M-(comparaison essais et MEF) [Bahaari 1994]

Figure I-33 : Courbes M-(comparaison essais et MEF) [Bahaari 1997]

Figure I-34 : Types dassemblages modliss [Bahaari 2000]

Figure I-35 : Modlisation de la prcontrainte [Choi 1996b]

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Figure I-36 : Courbes M-(comparaison essais et MEF) [Bursi 1998]

Figure I-37 : Composantes de base de l'assemblage par platine dabout boulonne

Figure I-38 : Comportement d'une composante

Figure I-39 : Approche EC3 pour le calcul de la rigidit initiale d'un assemblage poutre poteau par

platine dabout boulonneFigure I-40: Rpartition des efforts dans un assemblage poteau-poutre boulonn

Figure I-41 : Mcanisme de levier dans un tronon en t

Figure I-42 : Mode de ruine du tronon en t

Figure I-43 : Rparation des moments dans un tronon en t

Figure I-44 : Schmas des lignes de plastification des tronons en t (mcanisme individuel)

Figure I-45 : Schmas des lignes de plastification des tronons en t (mcanisme de groupe)

Figure I-46 : Modle Bursi et Jaspart [Bursi 1997] - maillage et courbes force-dplacement

Figure I-47 : Modle MEF [Mistakidis 1996] - maillage et courbes force-dplacementFigure I-49 : Modle MEF [Wanzek 1999] - maillage et courbes force-dplacement

Chapitre II

Figure II-1 : Configuration des diffrents spcimens tests

Figure II-2 : Caractristiques des assemblages

Figure II-3 : Position des boulons par rapport la platine dabout

Figure II-4 : Courbe de traction de la platine dabout

Figure II-5 : Montage dessaiFigure II-6 : Vue de lassemblage en vraie grandeur

Figure II-7 : Configuration des diffrents spcimens tests

Figure II-8: Instrumentation des spcimens tests

Figure II-9 : Assemblage de rfrence (position des cibles)

Figure II-10 : Ruine des assemblages poteau-poutre

Figure II-11 : Vue prise par camra de l'assemblage FS1

Figure II-12 : Comparaison des courbes Moment-Rotation (diffrentes techniques de mesure)

Figure II-13 : Paramtres principaux de la courbe Moment-Rotation (M-) : Essai FS1Figure II-14 : Courbes Moment-Rotation des assemblages tests

Figure II-15 : Courbe Moment-Rotation des composants de l'assemblage FS1

Figure II-16 : Courbe Moment-Rotation des composants de l'assemblage FS2

Figure II-17 : Courbe Moment-Rotation des composants de l'assemblage FS3

Figure II-18 : Courbe Moment-Rotation des composants de l'assemblage FS4

Figure II-19 : Comparaison des courbes Moment-Rotation entre l'exprience et l'EC3

Figure II-20 : Boulon muni de jauge axiale de dformation

Figure II-21 : Effort dans le boulon en fonction du moment de l'assemblage FS1Figure II-22 : Effort dans le boulon en fonction du moment de l'assemblage FS2

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Figure II-23 : Effort dans le boulon en fonction du moment de l'assemblage FS3

Figure II-24 : Effort dans le boulon en fonction du moment de l'assemblage FS4

Figure II-25 : Flexion des boulons dans les assemblages

Figure II-26 : Configurations des diffrents spcimens

Figure II-27 : Montage dessai (assemblage poutre-poutre)Figure II-28 : Vue de lassemblage en vraie grandeur

Figure II-29 : Points de mesure des spcimens tests

Figure II-30 : Modes de ruines des diffrents assemblages poutre-poutre

Figure II-31 : Courbes Moment-Rotation des assemblages poutre-poutre

Figure II-32 : Comparaison des courbes Moment-Rotation (essais/EC3)

Figure II-33 : Effort dans le boulon en fonction du moment appliqu (assemblage FS5)

Figure II-34: Effort dans le boulon en fonction du moment appliqu (assemblage FS7)

Figure II-35 : Effort dans le boulon en fonction du moment de l'assemblage FS8

Chapitre III

Figure III-1: Configuration d'assemblage modlis

Figure III-2 : Maillage des assemblages (vue 3D)

Figure III-3 : Maillage du boulon dassemblage

Figure III-4 : Conditions aux limites

Figure III-5 : Courbes Moment-Rotation (assemblages poteau-poutre)

Figure III-6 : Dformes des assemblages poutre-poteau (essais/modle)Figure III-7 : Evolution des dplacements de la platine dabout des assemblages

Figure III-8: Position des boulons (FS1)

Figure III-9 : Evolution des contraintes dans les boulons de lassemblage FS1

Figure III-10: Rpartition des contraintes de von Miss dans les boulons de lassemblage FS1

Figure- III-11 : Position des boulons

Figure III-12 : Evolution des contraintes dans les boulons (assemblages FS2 et FS3)

Figure III-13 : Rpartition des contraintes dans les boulons (assemblages FS2 et FS3)

Figure III-14: Identification des boulons assemblage FS4

Figure III-15 : Evolution des contraintes dans les boulons de lassemblage FS4

Figure III-16: Rpartition des contraintes de von Miss dans la platine d'about de FS4

Figure III-17 : Courbe Moment-Rotation

Figure III-18 : Dforme de l'assemblage avec poteau rigide

Figure III-19 : Evolution des dplacements de la platine dabout (poteau rigide)

Figure III-20 : Evolution des contraintes dans les boulons (poteau rigide)

Figure III-21 : Rpartition des contraintes de von Miss dans la platine dabout (poteau rigide)

Figure III-22 : Configuration des assemblages

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Figure III-23 : Courbes Moment-Rotation des assemblages

Figure III-24 : Dformes des assemblages (modle numrique)

Figure III-25: Dplacements de la platine dabout (assemblages avec poteau rigide)

Figure III-26: Configuration d'assemblage modlis

Figure III-27 : Maillage des assemblages (vue 3D)Figure III-28 Conditions aux limites

Figure III-29 : Courbe Moment-Rotation des assemblages poutre-poutre

Figure III-30 : Dforme de l'assemblage poutre-poutre

Figure III-31: Evolution des contraintes dans les boulons (assemblage FS5)

Figure III-32 : Contraintes de von Miss dans les boulons (assemblage FS5)

Figure III-33 : Dforme de la platine d'about des assemblages FS6 et FS7

Figure III-34 : Contraintes de von Miss (platine dabout dassemblages poutre-poutre)

Chapitre IV

Figure IV-1: Assemblage poteau poutre (A) et dfinition du tronon en t (B)

Figure IV-2: Dformation du tronon en t (A) et flexion du boulon (B) [Ciutina 2003]

Figure IV-3 : Gomtrie du tronon en t

Figure IV-4 : Lois de comportement des lments (tronon et boulon)

Figure IV-5 : Maillages des tronons tudis

Figure IV-6 : Dplacement impos

Figure IV-7 : Courbes force-dplacement (modle numrique et essais)Figure IV-8: Evolution du rapport [B/F] et [Q/F] en fonction de F

Figure IV-9 : Evolution de la position de l'effort de levier (Q) en fonction de F

Figure IV-10: Rpartition des contraintes de pression sous le tronon T1

Figure IV-11 : Rpartition des contraintes de pression sous le tronon T2

Figure IV-12: Dforme de la semelle du tronon en t

Figure IV-13: Rpartition des contraintes de von Mises sous la semelle du T1 et T2

Figure IV-14: Points de mesure des contraintes dans le boulon (C1 et C2)

Figure IV-15 : Evolution des contraintes dans le boulon

Figure IV-16 : Contraintes de traction et de flexion dans le boulon

Figure IV-17: Rpartition des contraintes dans le boulon

Figure IV-18: Interaction M/N ltat limite Plastique du boulon M12

Figure IV-19: Evolution des contraintes dans le boulon pour diffrentes valeurs deeffl

Figure IV-20 : Variation des contraintes de Von Miss des tronons en t (Boulon M12)

Figure IV-21 : Evolution des zones de plasticits de la semelle du tronon en t

Figure IV-22 : Force applique fonction du dplacement

Figure IV-23 : Force de levier fonction de la force applique

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Figure IV-24 : Force dans le boulon fonction de la force applique

Figure IV-25: a) Dforme du tronon en t T1 b) courbure du boulon

Figure IV-26:Gomtrie du t

Figure IV-27 :Variation de la position du boulon

Figure IV-28 : Force applique en fonction du dplacement (diffrentes positions de boulon)Figure IV-29 : Force de levier fonction de la force applique

Figure IV-30: Force dans le boulon fonction de la force applique

Figure IV-31 : Variation de la contrainte dans le boulon

Figure IV-32: Variation de lpaisseur de la semelle du tronon en t

Figure IV-33: Force applique fonction des dplacements (diffrentes paisseurs de tronons)

Figure IV-34 : Forces de levier fonction des forces appliques (diffrentes paisseurs)

Figure IV-35 : Rpartition des contraintes dans le boulon M12

Figure IV-36: Evolution de la position de la rsultante de Q en fonction de la force applique

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Liste des Tables

Chapitre I

Tableau I-1 : Hypothses dassemblage et danalyse globale de la structure

Chapitre II

Tableau II-1: Caractristiques gomtriques des lments de lassemblage (mm)

Tableau II-2 : Caractristiques mcaniques des matriaux de lassemblage

Tableau II-3 : Caractristiques calcules de la rsistance et de la rigidit des assemblages

Tableau II-4 : Paramtres principaux des courbes Moment-Rotation (essais FS1 FS4)

Tableau II-5 : Valeurs thoriques et exprimentales (rsistance et rigidit des assemblages)

Tableau II-6 : Forces de pr-serrage dans les boulons (kN)

Tableau II-7: Paramtres principaux des courbes Moment-Rotation

Tableau II-8 : Rsistance et rigidit dassemblages poutre-poutre (essais et EC3)

Tableau II-9 : Forces dues au serrage des boulons (kN)

Chapitre III

Tableau III-1 : Principaux rsultats de la comparaison modle-exprience

Tableau III-2 : Paramtres de la courbe moment rotation

Tableau III-3 : Caractristiques dassemblages (raidisseurs et rigidit de poteau)

Chapitre IV

Tableau IV-1: Caractristiques gomtriques et mcaniques des tronons en t

Tableau IV-2 : Rsistance des tronons en t (valeurs analytiques et numriques) (kN)

Tableau IV-3: Rigidits initiales et Rsistances plastiques des tronons en t

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Introduction gnrale

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Introduction gnrale

Les assemblages de structures en acier permettent dassurer la continuit entre leslments, tels que les poteaux et les poutres. Ces assemblages, qui constituent des zones de

discontinuit, ont une influence sur le comportement global de la structure. La caractrisationdu comportement des assemblages n'est pas aise cause de leur complexit gomtrique etmcanique. Cette complexit rsulte du nombre dlments intermdiaires utiliss (boulons,

platine, cornire) ainsi que des formes gomtriques varies et des proprits matriellesdiffrentes. Elle engendre de fortes discontinuits et conduit un comportement global nonlinaire de l'assemblage.

Traditionnellement, les assemblages sont considrs rigides ou articuls. En ralit,les assemblages les plus flexibles sont capables de transmettre un certain moment de flexiontandis que les assemblages les plus rigides autorisent toujours une rotation relative des picesassembles. La prise en compte de cette ralit a conduit lintroduction du concept de la

semi-rigidit dans lapproche de calcul des structures. Ce concept qui permet d'approcher lecomportement rel des assemblages dans l'analyse des structures offre une trs grandesouplesse dans le choix des assemblages et du dimensionnement.

Selon l'Eurocode 3 (EC3), la caractrisation de la loi moment-rotation qui traduit lecomportement de l'assemblage soumis un moment flchissant, peut se faire par la raideurinitiale, le moment rsistant et la capacit de rotation. Ainsi, la mthode des composantesdveloppe pour la caractrisation du comportement des assemblages est propose danslEC3. Cette mthode considre que lassemblage est constitu dun ensemble decomposantes lmentaires et permet de fournir les donnes ncessaires lutilisation dunouveau concept de semi-rigidit introduit dans le calcul des structures.

La construction mtallique utilise principalement deux types d'assemblages : lesassemblages souds et les assemblages boulonns. Les assemblages boulonns par platinedabout sont largement utiliss dans les structures mtalliques [Trahair 2007, Owens 1989,Kulak 1987]. En gnral, ces assemblages boulonns par platine dabout ont desconfigurations gomtriques varies du fait de la variation du nombre de ranges de boulons,de l'espacement des boulons, des dimensions de la platine dabout qui peut-tre dbordante ounon dbordante, de la prsence des raidisseurs, des dimensions des poteaux et des poutres, dela force de prcontrainte dans les boulons, des proprits mcaniques de l'acier et des surfacesde contact. Ces dtails de conception entranent des variations des caractristiques delassemblage et affectent leur comportement, ce qui rend leur analyse extrmementcomplexes.

Bien que dans la dernire dcennie, plusieurs travaux de recherches exprimentales,analytiques et numriques ont t effectus pour tudier linfluence des dtails dassemblagessur leur comportement, ils ne fournissent, dans certains cas, que des informations limites vule nombre de paramtres considrer. Parmi ces dtails de conception, la prsence desraidisseurs de platine dabout dans la zone tendue et comprime des assemblages mtalliques

boulonns dont linfluence peut tre considrable. Les essais exprimentaux sur lesassemblages boulonns avec raidisseurs de platine restent limits en nombre et ne permettentdonc pas de cerner de faon satisfaisante leur fonctionnement mcanique afin de calibrer une

procdure de dimensionnement. En outre, lEC3 ne donne pas dindication explicite quant aucalcul des caractristiques mcaniques des parties dbordantes de platines avec raidisseurs qui

permet doptimiser la conception de ce type dassemblages.

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Une dmarche exprimentale a t entreprise au LaMI (Laboratoire de Mcanique etIngnieries), Universit Blaise Pascal (Clermont-Ferrand). Elle avait pour objectif d'analyserle comportement des assemblages mtalliques avec platine dabout boulonns. Les rsultatsont permis dobserver les modes de ruine dassemblages avec ou sans raidisseurs de platine,davoir une base de comparaison avec les valeurs de calcul de lEC3 et de constituer une base

de donnes exprimentales, avec diffrentes configurations gomtriques dassemblages,utilise pour valider les modles numriques.

Le comportement complexe des assemblages observ au cours des essais et le nombreimportant de paramtres gomtriques et mcaniques qui influencent leur comportement fontque leur tude par la seule voie exprimentale reste insuffisante et que la voie numrique

prsente un grand intrt. L'approche exprimentale qui prsente lavantage de fournircertaines informations utiles au calcul reste coteuse. Elle est utilise en complment lanalyse numrique qui permet d'obtenir des informations dtailles et varies. Nous avonsdonc dvelopp un modle numrique par lments finis, tridimensionnel et non linaire, pourcaractriser le comportement rel des assemblages avec platines d'about boulonnes jusqu la

ruine. Ceci a permis de modifier certains paramtres afin dtudier leur influence sur lecomportement global, de mieux visualiser et de comprendre certains phnomnes enparticulier l'influence des raidisseurs de platine d'about ainsi que dvaluer le comportementdes lments constituant l'assemblage (boulons, platine dabout etc.).

De point de vue du calcul, certains aspects, comme la flexion des boulons dansl'assemblage, ne sont que partiellement dvelopps, ou sont mme omis, dans les rglementsactuels. Nous observons souvent que les boulons dans les assemblages sont fortement flchisau moment de la ruine. La zone tendue dun assemblage boulonn, de type poteau-poutre,constitue sa source majeure de dformabilit. Elle est souvent reprsente par un tronon ent. Chaque range de boulons de la zone tendue est remplace par un tronon en t en 2D,avec une longueur quivalente calcule sur la base des mcanismes plastiques. Les rgles de

calcul des assemblages de structures mtalliques considrentque la dformation des trononsen t est lie dune part au comportement des boulons sollicits en traction simple et dautre

part, la dformation de la platine ou de la semelle sollicits en flexion. Un des objectifs dece travail est danalyser linfluence de la flexion du boulon sur le dimensionnement destronons en t, grce l'tude numrique par lments finis de deux tronons en t dedimensions diffrentes. Les modles numriques tiennent compte des non linaritsmatrielles et gomtriques (contact, plasticit et grands dplacements).

Ce mmoire comprend quatre chapitres. Ils sont prsents ci-aprs.

Le chapitre I, caractre bibliographique, permet de faire une prsentation gnraledes assemblages structuraux. Nous dcrivons les diffrents types d'assemblages boulonnsd'utilisation courante et leurs principales sources de dformabilit. Cette reprsentation esteffectue du point de vue des caractristiques gomtriques et mcaniques et des modes detransmission des efforts. Nous revenons galement sur la classification des assemblages, en

particulier selon les critres de rsistance et de rigidit ainsi que l'idalisation des courbesmoments-rotation, en sappuyant principalement sur l'EC3. Aussi, nous prsentons quelquestechniques de renforcement des assemblages mtalliques, et en particulier les raidisseurs de

platine qui sont tudis dans le cadre de cette thse.

En outre, une tude dtaille sur le comportement non linaire des assemblagesmtalliques boulonns renforcs ou non par des raidisseurs de platine dabout est prsente.Dans un premier temps, nous examinons partir des rsultats exprimentaux et numriques

extraits de la littrature le comportement des assemblages en mettant l'accent sur les diffrentsparamtres qui l'influencent. Dans un deuxime temps, nous prsentons les formules

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principales de calcul de la rsistance et de la rigidit initiale des assemblages avec platinedabout. Ces formules seront utiles la vrification des assemblages mtalliques qui seronttests dans le cadre de la thse.

Le chapitre II prsente les assemblages boulonns tests au LaMI. Les rsultatsobtenus viennent complter ceux dj existants d'une part et permettent d'analyser la rotationde l'assemblage partir de la dformation de chaque composant, d'autre part. Nous procdonsensuite la classification des assemblages tests selon les critres de l'EC3.

Le chapitre III est consacr au dveloppement d'un modle numrique pour simuler lecomportement moment-rotation non linaire des assemblages mtalliques. Ce modlenumrique tridimensionnel est dvelopp sur la base dlments volumiques 8 nuds enutilisant le logiciel dlments finis CAST3M. Le modle tient compte des non linaritsmatrielles et gomtriques (contact, plasticit, grands dplacements). Les rsultats obtenus

partir de l'analyse numrique sont compars ceux issus de lexprimentation pour valuer leniveau de prcision du modle propos. Ensuite, ils sont confronts aux rsultats donns parlEC3 afin dapprcier ses dmarches de dimensionnement.

Le chapitre IV est consacr ltude de linfluence de la flexion du boulon sur lecomportement des tronons en t. Un modle lments finis 3D est utilis pour reprsenter lecomportement dun tronon en t. Il tient compte des non linarits matrielles etgomtriques (contact, plasticit, grands dplacements).

Enfin une conclusion gnrale et des recommandations pour des dveloppements futurs sontprsentes.

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Chapitre I - Etude bibliographique

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1- Introduction

Une structure en acier est constitue des profils en I et/ou en H obtenus par laminageou reconstitus par soudage. La ralisation de ce type de structure impose de lier ces lmentsentre eux par des assemblages. Ces assemblages possdent des formes multiples lies la

nature des efforts transmettre mais aussi aux moyens d'attaches utiliss. A l'heure actuelle, ilexiste principalement deux types d'assemblages : les assemblages souds et les assemblagesboulonns.

Ces assemblages assurent, en gnral, la continuit lintrieur dun mme lment ouservent de liaison nodale entre les lments. Ils se caractrisent par de fortes complexitsgomtrique et mcanique. La complexit gomtrique rsulte du nombre dlmentsintermdiaires utiliss (boulons, platine, cornire) et des formes gomtriques varies deces lments qui engendre de fortes discontinuits. La complexit mcanique provient desmatriaux de natures diffrentes qui constituent les lments, des jeux dans les trous pour

boulons et du contact entre les diffrents composants de lassemblage. En outre, le

comportement local de ces assemblages affecte de manire directe le comportement global dela structure en acier.

La complexit du comportement des assemblages mtalliques ncessite une analyseapprofondie. Pralablement cette analyse, nous prsentons les types dassemblages les plusutiliss et nous insisterons particulirement sur leurs modles de comportement en particulierdans le cas des assemblages boulonns. Nous prsentons les classes de rigidit, de rsistanceet de capacit de rotation de ces assemblages. Nous prsentons aussi le mode de transfert desefforts entre les diffrentes parties de chaque type d'assemblage, les principales sources dedformations, les modes d'assemblages pratiques et les modes de renforcements existants. Lamthode de modlisation des assemblages pour l'analyse globale de la structure est dcrite.

Nous prsentons, dans ce chapitre, une revue gnrale sur les principales tudes etrecherches exprimentales et numriques consacres au comportement des assemblagesmtalliques par platine d'about dbordante renforce ou non par raidisseurs sur la partiedbordante. Au niveau des rglements, lEC3 permet l'valuation par le calcul descaractristiques dassemblages semi-rigides et/ou partiellement rsistants. Ses formules

principales de calcul de la rsistance et de la rigidit initiale des assemblages avec platined'about sont rappeles. Ces formules seront utiles la vrification du dimensionnement desassemblages mtalliques qui seront tests dans le cadre de la thse.

Nous prsentons aussi certains travaux et rsultats concernant la zone tendue dun assemblagemtallique qui constitue une des composantes principales pour le dimensionnement desassemblages.

2- Dfinitions

Une structure comprend des lments structuraux (poutres et poteaux) et desassemblages. Les lments structuraux sont classifis en fonction du type de chargementqu'ils supportent. Ils sont appels poutres si la flexion est prdominante, poteaux si la chargeaxiale est prdominante, et poutre-poteau si la fois la flexion et une charge axiale sont

prsentes de manire significative. Pour les assemblages, selon le nombre et la position deslments assembls entre eux dans le plan, nous dfinissons des configurations d'assemblagesunilatrales (sur un seul ct) ou bilatrales (sur deux cts) (Figure I-1).

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(a) Assemblage unilatral (b) Assemblage bilatral

Figure I-1 : Configurations d'assemblages dans le plan

Avant de dtailler les diffrents types dassemblages, des exemples dassemblagespoutre-poteau sont utiliss titre dillustration pour dfinir les zones dattaches etdassemblages (Figure I-2) [Bijlaard 1989, Nethercot 1990].

Une zone dattache est dfinie comme l'ensemble des composantes qui fixentmcaniquement les lments assembls. Elle comprend la zone o laction de fixation seproduit, par exemple au niveau de l'interface extrmit poutre/poteau dans un assemblagepoutre poteau selon l'axe de forte inertie.

Un assemblage comprend lensemble constitu de la zone d'attache et de la zone situeentre les lments assembls.

a) Assemblage unilatral (b) Assemblage bilatral

Figure I-2 : Dfinition de la zone d'attache et de l'assemblage (assemblage poteau-poutre)

3- Configurations d'assemblages poutre-poteau

Dans les portiques, les lments structuraux linaires (poutres et poteaux) sontattachs leurs extrmits par des assemblages. Les emplacements possibles de cesassemblages sont prsents sur le schma de la figure I-3.

Les assemblages boulonns les plus couramment utiliss sont ceux utilisant desplatines dabout, des cornires d'me et/ou de semelles. Le choix du type d'assemblagespcifique adopter est en gnral li au type d'quipement possd par le fabricant et lesexigences concernant le processus de montage sur site.

Assemblage

Zonedattache

Zone d'attachegauche

Assemblagedroit

Zoned'attache

Assemblagegauche

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C AA

D

A

B

BD

A

Figure I-3 : Diffrents types dassemblages dans une structure mtallique

Nous pouvons identifier plusieurs types d'assemblages selon le type de liaison entreles lments assembls. Un des plus courants est lassemblage poutre-poteau. Ce typed'assemblages relie des lments de directions et de fonctions diffrentes (Figure I-3).Plusieurs configurations d'assemblages sont possibles :

3.1 Assemblages poutre-poteau par platine d'about

Dans ce type d'assemblages, la transmission des moments flchissant de la poutre aupoteau se fait par l'intermdiaire d'une platine dabout soude l'extrmit de la poutre etattache au poteau par des boulons disposs en plusieurs ranges verticales. Cette platine peuttre dbordante ou non dbordante (Figure I-4). Ils sont utiliss sous rserve de savoirdterminer le degr dinteraction entre les lments, ce qui suppose de connatre la

caractristique moment-rotation de lassemblage.

(a) assemblage par platine dbordante (b) assemblage par platine nondbordante

Figure 1-4 : Assemblage poteau poutre par platine dabout boulonne

Il convient de signaler que l'assemblage poteau-poutre peut tre tridimensionnel. Il estalors caractris par la prsence de poutres assembles sur les semelles et sur l'me du poteau(Figure I-5). C'est ainsi que nous pouvons trouver des zones d'attache sur l'axe de forte inertieet sur l'axe de faible inertie du poteau.

A : poutre-poteau de riveB : poutre-poteau intermdiaireC : continuit de poutresD : continuit de poteaux

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Figure I-5 : Exemple d'assemblage tridimensionnel

3.2 Assemblage poteau-poutre par cornire d'me et ou de semelle

Dans ce type d'assemblages (Figure I-6), les cornires sont boulonnes sur les

semelles et les mes du poteau et de la poutre. Lassemblage de type (a) avec une simplecornire sur lme de la poutre est considr comme articul. Ce type dassemblage ne peuttransmettre que des efforts tranchants et ventuellement un effort axial de la poutre. Il doittre capable de subir une rotation significative sans dvelopper des valeurs leves de momentflchissant. Les assemblages articuls sont utiliss dans une ossature de poutres et poteauxlorsque la rigidit latrale est assure par dautres moyens comme par exemple une pale destabilit triangule. Les assemblages de types (b) et (c) sont en gnral semi-rigides.

a) cornire d'me (b) cornires de semelles (c) cornires de semelle ou t etcornires d'me

Figure I-6 : Assemblage poutre-poteau par cornires d'me et/ou des semelles

3.3 Assemblages de continuit de poutres ou de poteaux

Les figures (I-7a) et (I-8a) montrent des assemblages avec platines dabout quiassurent la continuit de poutres ou de poteaux. Les platines peuvent tre dbordantes ou non.Une alternative l'utilisation de platines d'about fait appel aux assemblages par couvre-joint(Figures I-7b et I-8b) avec des zones d'attaches boulonnes ralises sur les mes et lessemelles des poutres.

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MbMb MbMb

(a) Assemblage par platines d'about (b) Assemblage par couvre-joint

Figure I-7 : Assemblage de continuit de poutre

Mc

Nc

Mc

Nc

Mc

Nc

Mc

Nc

(a) Assemblage par platines d'about (b) Assemblage par couvre-jointFigure I-8 : Assemblage de continuit de poteau

Dans ce mmoire, il sera question essentiellement d'assemblages poteau-poutre etpoutre-poutre boulonnes par platine dabout.

4- Caractrisation du comportement des assemblages

Lors de lanalyse structurale, les assemblages entre les lments structuraux sonttraditionnellement modliss comme rigides ou articuls. Les nuds articuls ne transmettent

aucun moment de flexion et nempchent pas la rotation des lments assembls. Quant auxnuds rigides, ils interdisent toute rotation relative entre les lments assembls et assurentainsi la transmission intgrale des efforts appliqus [Jaspart 2000]. Toutefois, lecomportement rel des assemblages est situ entre les deux cas extrmes, gnralementsupposs rigides ou articuls. Les assemblages les plus flexibles sont capables de transmettreun certain moment de flexion tandis que les assemblages les plus rigides autorisent toujoursune certaine rotation relative des pices assembles [Trahair 2007, Owens 1989, Kulak 1987,Attiogbe1991, Chen 1991 et Chen 2000]. Lacceptation de cette ralit a conduit lintroduction du concept de la semi-rigidit dans les approches de calcul et dedimensionnement des structures (EC3 1993). Ce concept permet de tenir compte ducomportement rel de l'assemblage situ entre larticulation et lencastrement (Figure I-9). Ilest modlis au moyen dun ressort en rotation plac au point dintersection entre les axes de la

poutre et du poteau.

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a) Assemblage rigide b) Assemblage rotul c) Assemblage semi-rigide

Figure I-9 : Comportement des assemblages mtalliques

La rigidit Sjde ce ressort caractrise la rigidit en rotation de lassemblage soumis un moment flchissant. Une rigidit Sj nulle (ou trs petite) correspond un assemblagesimple (rotul) qui ne transmet pas de moment flchissant de la poutre au poteau. Aucontraire, une rigidit Sjinfiniment grande (trs grande) correspond un assemblage continu(rigide).

Selon lEC3, le comportement mcanique dun assemblage est caractris par troiscaractristiques principales savoir : le moment rsistant (Mj,Rd), la rigidit (Sj,iniou Sj) et lacapacit de rotation (cd). Ces caractristiques sont obtenues partir de la courbe moment-

rotation reprsente dans la figure I-10.

Figure I-10 : Courbe momentrotation dun assemblage mtallique

Il a t dmontr [AISC 1986, Colson 1992] que lintroduction du conceptdassemblage semi-rigide dans les ossatures permettait par un calcul plus prcis et plusraliste, deffectuer une vrification plus sre des critres de dimensionnement de lossature etdaboutir une configuration structurale moins coteuse.

M

Sj,ini

Mj,Rd

cd

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Les proprits de la loi moment-rotation dun assemblage peuvent tre thoriquementdfinies selon lEC3 par une classification en rigidit, rsistance et capacit de rotation de cesassemblages.

5- Classification des assemblages mtalliques

Selon lEC3, les assemblages doivent tre modliss en vue dune analyse globale dela structure. Le type de modlisation des assemblages adopter dpend de la classification entermes de rigidit (rigide, semi-rigide et articul), de rsistance (rsistance complte ou

partielle) et de capacit de rotation. Les critres de cette classification sont dcrits ci-dessous.

5.1 Classification des assemblages en rigidit

La rigidit initiale dun assemblage qui caractrise sa rponse lastique peut influencerdune manire significative la rponse en dformation de la structure entire. LEC3 offre uneclassification pratique des assemblages du point de vue de leur rigidit initiale. Il permet declasser les assemblages en trois grandes catgories selon leur rigidit (Figure I-11) : articul,

rigide ou semi-rigide.

S ,ini

Articul

Semi-rigide

RigideMoment,Mj

Figure I-11 : Limites de classification de rigidit

En outre, l'EC3 permet un calcul analytique de la rigidit laide de la mthode descomposantes. Cette mthode suppose que chaque composante est reprsente par un ressortqui travaille en compression ou traction, avec une rigidit propre. Pour obtenir la rigiditglobale de lassemblage, ces ressorts sont groups en srie ou en parallle selon le typedassemblage concern.

Les limites de la rigidit sont dtermines de manire permettre une comparaison directeavec la rigidit de lassemblage, quel que soit le type didalisation utilis dans lanalyse.Pour des raisons de simplicit, les limites ont t dtermines de manire permettre unecomparaison directe entre la rigidit initiale de calcul de lassemblage et la rigidit de la

poutre assemble qui dpend de son moment dinertie de flexion ( bIE. ) et de sa longueur ( bL

). Les valeurs limites de rigidit sont les suivantes:

- Lassemblage est considr comme rigide sib

b

inijL

IES

..8, Ossatures contreventes

b

b

inijL

IES

..25, Ossatures non contreventes

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- Lassemblage est considr comme articul sib

b

inijL

IES

..5,0,

Le cas intermdiaire est considr comme assemblage semi-rigide.

5.2 Classification des assemblages par la rsistanceLa classification par la rsistance fait apparatre les notions d'assemblage rsistance

complte, rsistance partielle ou articul (Figure I-12) :

- Un assemblage rsistance complte possde une rsistance plus grande que larsistance des lments structuraux assembls. Autrement dit, une ventuelle rotule

plastique se formera plutt dans les lments structuraux (poutre, poteau).- Un assemblage articul possde une faible rsistance, au maximum 25% de la

rsistance minimale requise pour avoir un assemblage pleine rsistance.- Un assemblage rsistance partiellereprsente la solution intermdiaire.

Rsistance de l'assemblage

M ,Rd

Rsistance partielle

Pleine rsistance

Articul

M

Figure I-12 : Limites de classification en rsistance

La classification en rsistance est plutt utile pour lanalyse rigide-plastique destructure dans laquelle la procdure se rfre la formation des rotules plastiques.

Lassemblage doit possder une ductilit suffisante qui assure sa dformation lors dela formation de la rotule plastique. Mme un assemblage rsistance complte, dont larsistance est infrieure 1,2 fois celle de la poutre attache, doit possder une ductilitsuffisante ncessaire, au cas o, pour des raisons de sur-rsistance (over-strength), la rotule seformerait dans l'assemblage. En effet, si le matriau des lments attachs a des rsistances

beaucoup plus leves que les valeurs nominales, le calcul conduit alors la sous-estimationde la rsistance des lments structuraux assembls (poutre, poteau) et donc l'ventuelleformation, en ralit, de la rotule plastique dans l'assemblage alors qu'on l'attend dans la

poutre, par exemple.

5.3 Classification des assemblages par capacit de rotation

Les assemblages peuvent tre classifis en fonction de leur ductilit ou capacit derotation. Cette classification constitue une mesure de leur aptitude rsister une rupturefragile ou instabilit locale prmature. Une application pratique de cette classification desassemblages consiste vrifier si une analyse globale plastique peut tre conduite jusqu' laformation d'un mcanisme d'effondrement plastique dans la structure pouvant impliquer des

rotules plastiques dans certains assemblages. Certains auteurs [Gomes 1998, Da Silva 2002,Jaspart 2000] ont classifi les assemblages selon leur capacit de rotation qui dpend de la

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rotation de lassemblage par rapport celle de la poutre. Trois classes ont t dfinies savoir: ductile, semi-ductile et fragile (Figure I-13).

Figure I-13 : Classification des assemblages selon la capacit de rotation

Un comportement fragile est caractris par une rupture, avec une rotation limite,gnralement sans dformation plastique. Le comportement ductile est caractris par unenon-linarit bien distingue de la courbe moment-rotation avec un plateau tendu avant larupture. Ce plateau indique gnralement l'apparition de dformations plastiques. La semi-ductilit se situe entre les comportements fragile et ductile.

6- Modlisation des assemblages en vue de lanalyse globale desstructures

Le comportement des assemblages affecte le comportement global des structures. Laprise en compte du comportement des assemblages permet davoir diffrents types demodles de structures savoir les structures simples, continues et semi-continuescorrespondant respectivement aux modles dassemblages articuls, rigides et semi-rigides.

Actuellement, dans la pratique courante, les assemblages sont considrs dans lecalcul des structures comme rigides ou articuls. A cet effet, ils doivent tre calculs poursatisfaire les classifications des assemblages rigides ou articuls. Rellement, les assemblagessont semi-rigides. Ils peuvent tre modliss sous forme de ressorts en spirale prsentant desrelations moment-rotation pouvant aller du type linaire lastique au type non linaire quitient compte de la capacit de rotation (Figure I-14). Lutilisation dun modle danalyse

globale de la structure linaire lastique impose une modlisation linaire lastique desassemblages. Pour lanalyse lastique parfaitement plastique, un modle dassemblage

bilinaire est ncessaire. Par consquence, le type danalyse de la structure utilis a un effetdirect sur le degr de complexit du modle dassemblage considrer, particulirementlorsquune analyse plastique est utilise et que la formation de rotules dans les assemblagesest autorise.

Dans le cas dune analyse globale lastique de la structure, seules les caractristiquesde rigidit sont utilises pour la modlisation des assemblages. Dans le cas d'une analyserigide plastique, la caractristique principale est la rsistance. Dans tous les autres cas, ce sont la fois les caractristiques de rigidit et de rsistance qui gouvernent la manire dont il

convient de modliser les assemblages. Ces possibilits sont illustres dans le tableau I-1.

rotation lastiquede la poutre rotation ultime

assemblage semi-ductile

assemblage fragile

Rotation ()

Moment, M

assemblage ductile

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Analyse globale Types dassemblages utilissElastique Articulation Rigide Semi-rigideRigide- plastique Articulation Rsistance

complteRsistance partielle

Elastique plastique Articulation Rigide et rsistancecomplte

- Semi rigide et rsistance partielle- Semi rigide et rsistance totale

- Rigide et rsistance partielleModlisation de structure Simple Continue Semi-continue

Tableau I-1 : Hypothses dassemblage et danalyse globale de la structure

En vue d'une analyse globale de la structure, trois types de calcul peuvent treeffectus. Ils sont lis la classification de l'assemblage : un assemblage rigide assure lacontinuit des moments de la liaison, un assemblage semi-rigide assure seulement unecontinuit partielle et un assemblage articul n'assure pas de continuit entre les lments.

Figure I-14 : Modlisation d'un assemblage [Jaspart 1998]

Les assemblages rigide et articul sont les cas conventionnels qui conduisent uncalcul simple mais les assemblages rels sont situs entre ces deux cas. Ainsi, pour uneanalyse lastique-plastique globale de la structure, lassemblage peut tre reprsent par unressort flexionnel [Jaspart 1998] qui tient compte de ses sources de dformabilit.

7- Modlisation des courbes Moment-RotationLe comportement moment-rotation des assemblages est gnralement dcrit l'aide

d'une courbe non-linaire (Figure I-15d). Cependant, l'utilisation de ce type de courbesdemande des programmes d'analyse de structures sophistiqus. Afin de permettre un calculsimple des structures, les courbes moment-rotation des assemblages peuvent tre idalises,selon l'EC3, par des modles tri linaires, bilinaires ou linaires. Le choix d'une idalisationest li la mthode d'analyse utilise et aux outils de calcul disponibles : analyse lastique,analyse rigide-plastique ou analyse lastique-plastique (Figure I-15). Cependant,l'idalisation bilinaire est la solution la plus utilise.

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(a) Analyse lastique (b) Analyse lastique-plastique

(c) Analyse rigide-plastique (d) Analyse lastique-plastique

Figure I-15 : Idalisations de courbes Moment-Rotation de l'assemblage

Il est signaler que est le coefficient de modification de la rigidit (= 2pour lesassemblages poutre-poteau). Il permet de dterminer la rigidit scante qui correspond aumoment rsistant de lassemblage partir de sa rigidit initiale.

Dans une analyse lastique-plastique, l'EC3 propose une courbe de comportementglobal M- constitue de trois parties. La premire partie reprsente le comportementlastique en considrant les valeurs du moment infrieures 2/3

RdjM , .La deuxime partie de

la courbe reprsente le comportement non linaire jusqu' la valeur du moment rsistant RdjM ,.Dans la troisime partie, un palier plastique est considr. La deuxime partie non linaire dela courbe M-, comprise entre 2/3

RdjM , et RdjM , est dfinie partir de la rigidit scante

j

S par lquation (I-1) [Jaspart 1998].

7.2

,

,

)/5,1( Rdj

inij

jMM

SS

(Eq. I-1)

Ainsi, l'valuation de la rigidit initiale et du moment rsistant, sans crouissage,permet de dterminer la courbe moment-rotation de l'assemblage par platine dabout.

8- Renforcement dassemblages

L'assemblage par platine dabout est largement utilis dans les structures mtalliqueset sa popularit est attribue la simplicit et l'conomie de sa fabrication [Trahair 2007,Owens 1989, Kulak 1987]. Toutefois, ces assemblages sont extrmement complexes dans leuranalyse et comportement structural particulirement quand ils sont soumis des efforts trs

j,Rd

2/3 RdEd

Analyse lastique

Sj,inisi : MEd2/3 Mj,Rd

S=S ini/Sj,inicd

j,Rd

Idalisation bilinaire

S

cd

j,Rd

S ini

j,R

d

Idalisation tri linaire

Idalisation non linaire

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importants. Il convient donc dtre particulirement vigilant sur les dtails de conception desassemblages car cest en cet endroit que se concentrent toutes les difficults par suite de la

prsence de pices intermdiaires. De surcroit, ces zones brusque changement de gomtrieinduisent des efforts localiss et des concentrations de contraintes. Ainsi, des ajustements

peuvent tre faits un assemblage par platine dabout simple pour rpondre aux exigences de

diffrentes situations [Moore 1983]. Par exemple, des raidisseurs de platine dabout peuventtre ajouts pouraugmenter la rigidit de la platine et/ou sa rsistance tout en rduisant sonpaisseur. Trois moyens de renforcement sont actuellement couverts dans lEC3: lesraidisseurs transversaux de poteau, les contre-plaques et les doublures d'me.

Les raidisseurs transversaux de poteau : ils sont souds, au niveau des semellesen zones tendue et comprime du poteau (Figure I-16a), pour augmenter la rigidit et larsistance de l'me du poteau en traction et en compression et de la semelle du poteau enflexion.Des raidisseurs diagonaux peuvent tre utiliss pour amliorer la rsistance de l'medu poteau en cisaillement (Figure I-16b), en combinaison avec les raidisseurs transversaux.

Les renforcements par contre-plaques: ce sont des platines boulonnes contre la

semelle du poteau en recouvrant au moins deux ranges de boulons dans la zone tendue del'assemblage (Figure I-16 c). Elles permettent daugmenter la rsistance de la semelle du

poteau pour certains modes de ruine ainsi que la rigidit dans certains cas, comme en prsencede la prcontrainte [Al-khatab, 2003] [Al-khatab et Bouchar, 2007]. Dans lEC3, seule la

partie rsistance est considre.

Les doublures d'me: une doublure d'me, soude sur tout son pourtour (Figure 1-16d) est utilise pour augmenter la rsistance de l'me du poteau vis--vis de la traction, de lacompression et du cisaillement. Dans le cas o la largeur de la doublure est trs grande, des

boulons sont ncessaires pour la solidariser l'me du poteau.

(a) Assemblage avec raidisseurs transversaux (b)Assemblage avec raidisseur diagonal

(c) Assemblage avec contre-plaque (d)Assemblage avec doublure dme

Figure I-16 : Moyens de renforcement des assemblages selon l'EC3

Durant la dernire dcennie, de nombreuses recherches exprimentales, analytiques etnumriques ont t entreprises afin de mieux matriser le comportement dassemblages de

M

Doublured'me

M

Contre-plaque

Raidisseur diagonal

M

Raidisseurstransversaux

M

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conceptions existantes ou nouvelles. Lassemblage avec raidisseurs de platine daboutdbordante est relativement courant en France dans les continuits de poutre ou les liaisons

poteau-poutre (Figure I-17). Ces raidisseurs sont sous forme dun plat de gousset soud entrela semelle de la poutre et la platine dabout pour raidir la partie prolonge de la platinedabout et assurer la continuit de l'me de la poutre. Ce procd est aussi rpandu aux Etats-

Unis et au Japon surtout aprs les sismes de Northridge (USA, 1994) et Hyokogen-Nanbu(Japon, 1995) tout en respectant en partie les traditions de conception et de fabrication desassemblages de ces mmes pays [Ciutina 2003].

Ces raidisseurs peuvent tre utiliss dans les zones tendue et comprime delassemblage, simultanment ou de faon spare. La prsence de ces raidisseurs peutmodifier la distribution des efforts et par consquent le mode de dformation et de ruine delassemblage [Mimoune 2003]. Cependant, lEC3 et le code algrien [CCM97 1998] nedonnent aucune indication quant la faon dont les composants de lassemblage se dformentet ne fournissent pas d'aide pour amliorer la conception de ce type dassemblages. Dans lecadre de cette tude, un programme de recherche exprimental et numrique est ralis pour

amliorer la comprhension du comportement des assemblages avec raidisseurs de platinedabout.

a) Assemblage poteau poutre

b) Assemblage poutre-poutre

Figure I-17 : Assemblages avec raidisseurs de platine dabout dbordante

9- Comportement dassemblages par platine d'about boulonne

L'analyse globale des structures, intgrant le comportement des assemblages, ncessitela connaissance de leurs courbes de comportement moment-rotation. Ces courbes moment-rotation sont dtermines, en gnral, en sappuyant sur trois catgories de mthodes [Faella

2000]. Celles-ci concernent les approches exprimentales, les simulations numriques et lesmodles analytiques. Les travaux exprimentaux permettent dtudier le comportement de

MMM

M

M

Raidisseurs : zonestendue et comprime

M

Raidisseur : zone tendue

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lassemblage lchelle relle, les approches numriques permettent danalyser lecomportement de lassemblage par des modles lments finis plus ou moins sophistiqus etles mthodes analytiques abordent le comportement de lassemblage sous une analyse plussouvent thorique, parfois empirique. Les mthodes analytiques sont les plus utiliss pour undimensionnement pratique de structure.

Une revue gnrale sur les principales tudes et recherches exprimentales,numriques et analytiques consacres aux comportements des assemblages mtalliques par

platine d'about dbordante renforcs ou non par des raidisseurs sur la partie dbordante de laplatine d'about est prsente.

9.1 Etudes exprimentales des assemblages

9.1.1 Assemblages non renforcs

Plusieurs campagnes exprimentales ont t menes sur des assemblages en faisantvarier l'paisseur de la platine dabout pour tudier son influence sur la loi globale moment-rotation. Dans ce contexte, deux configurations d'assemblages ont t tudies [Bernuzzi1991, Zoetemeijer 1983, Jenkins 1996]. Dans la premire, le dispositif exprimental estconstitu d'une poutre et d'une platine connecte une platine trs paisse qui reprsente un

poteau rigide [Bernuzzi 1991]. Dans la deuxime, une configuration d'assemblage bilatral estconsidre et le poteau est renforc ou non par deux raidisseurs au niveau des semelles tendueet comprime de la poutre [Zoetemeijer 1983, Jenkins 1996]. Dans les deux cas, les courbesmoment-rotation ont montr l'influence de l'paisseur de la platine d'about sur la rigidit et larsistance de l'assemblage.

Dans le mme esprit, une tude exprimentale pour valider la norme brsilienne pourdiffrentes paisseurs de la platine d'about et du diamtre du boulon a t mene [Ribeiro1998]. Cette campagne a permis dexaminer la validit des modles de calcul existants dans la

norme brsilienne pour dterminer la rigidit et la rsistance d'assemblages dans le cas depoutres et de poteaux forms de profils reconstitus souds. Ils ont valu la baisse de lacontribution de la platine d'about la rotation de l'assemblage avec l'augmentation de sonpaisseur.

Deux campagnes exprimentales ont t ralises sur des assemblages bilatraux deconfigurations gomtriques diffrentes et des tronons en t connects une semelle du

poteau pour faire le lien entre le tronon en t et l'assemblage entier [Zoetemeijer 1974,Packer 1977]. Les auteurs ont montr que la zone tendue de l'assemblage peut tre reprsente

par un tronon en t isol car celui-ci permet de reproduire de manire satisfaisante ledveloppement des dformations plastiques dans cette zone. Ils ont aussi montr comment

dterminer la charge ultime en utilisant la mthode des lignes plastiques en se basant sur lesobservations exprimentales de formation des lignes plastiques dues la flexion de la semelledu poteau et de la platine dabout.

Une campagne exprimentale pour comparer le comportement des assemblages parplatine dabout dbordante ou non dbordante a t effectue par Aggarwal [Aggarwal 1994]qui a ralis douze essais dont quatre sur des assemblages par platine non dbordante, quatre

par platine dbordante d'un seule ct et quatre par platine dbordante sur les deux cts.Dans cette tude, des paramtres comme l'paisseur de la platine dabout (16 et 20 mm) et lediamtre du boulon (M16 et M20) ont t varis en gardant les mmes profils du poteau et dela poutre (UC 203x203x46 et 203x133x25 UB). A titre de comparaison, les auteurs ontmontr que les assemblages par platines d'about dbordantes possdent des capacits derotation comparables celles obtenues avec platines non dbordantes. Toutefois, les momentsrsistants des assemblages avec platines dbordantes sont plus levs. De plus, la prsence

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d'une range de boulons, dans la partie dbordante de la platine, en dessous de la semellecomprime de la poutre n'a pas dinfluence significative sur le comportement global del'assemblage.

Une comparaison de la rsistance et de la rigidit de trois types d'assemblagesunilatraux d'utilisation courante en construction mtallique est effectue [Janss 1987]. Ils'agit dassemblages par platine dabout, par cornires d'me et par cornires de semelles(figure I-18). Le dispositif dessai est prsent sur la figure I-19. Les auteurs ont montr quel'assemblage par platine dabout donne une rigidit et une rsistance plus leves encomparaison avec d'autres assemblages tests. Leffort de compression dans le poteaunaffecte pas le cisaillement de lassemblage pour des contraintes infrieures 130 MPa (delordre de 0,5fy). Par contre, il influence la dformation par flexion de la semelle du poteauqui se traduit par une diminution de la phase linaire du comportement M-, alors que larigidit initiale de lassemblage est faiblement affecte par cet effort de compression N.

Figure I-18 : Types dassemblage Figure I-19 : Dispositif dessai

La caractrisation de la rigidit initiale des assemblages poteau-poutre tait le but principal dela recherche effectue par Davison [Davison 1987 a, Davison 1987 b]. Les auteurs ont fait

plusieurs essais sur des assemblages avec platines d'about de diffrentes paisseurs en gardantles dimensions des poteaux et des poutres identiques. Les auteurs ont conclu que la rigiditinitiale dpend de lpaisseur de la platine dabout.

Un programme exprimental a t ralis l'universit de Coimbra sur desassemblages poteau-poutre par platine dabout dbordante boulonne soumis unecombinaison de moment de flexion et de force axiale de compression ou de traction [De Lima

2004]. Au total, sept assemblages ont t tests. Les profils des poteaux et poutres sontrespectivement HEB240 et IPE240 avec une nuance dacier S275. Lpaisseur de la platineest gale 15 mm pour les sept assemblages. Les boulons utiliss sont des M20-10.9.Plusieurs combinaisons de chargement sont considres. Dans le premier essai, EE1seulement un moment de flexion est appliqu. Pour les autres essais, (EE2, EE3, EE4, EE5,EE6 et EE7), une combinaison dun moment de flexion constant et dun effort axial detraction ou de compression avec une intensit variable de -10%, -20%, -7%, -15%, +10% ou +20%, par rapport la rsistance plastique de la poutre, Les auteurs ont conclu que les courbesmoment-rotation pour tous les essais indiquent que la force axiale affecte de maniresignificative le comportement des assemblages. Toutefois, le moment rsistant maximal delassemblage est obtenu pour lessai EE2 dont le chargement appliqu est un moment deflexion et un effort axial de compression correspondant -10% de leffort normal rsistant dela poutre. Le composant critique de tous les assemblages tests en zone de compression est la

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semelle de la poutre et en zone de traction la platine dabout. Ceci est cohrent avec lesprvisions bases sur la mthode des composantes de l'EC3. Les auteurs ont not que pour defaibles rapports N/M, toutes les ranges de boulons sont sollicites en traction et laxe neutreest situ au milieu de la section de la poutre. Par contre, pour de grands rapports N/M, ils ontrelevs une inversion des efforts dans les boulons. Les figures I-20 et I-21 rcapitulent, pour

chaque essai, un diagramme dinteraction M/N pour toutes les composantes de lassemblageainsi que les caractristiques principales de la courbe MomentRotation de lassemblage.Malheureusement, la ruine des assemblages n'a pas t atteinte pendant les essais. Un modleanalytique pour caractriser le comportement des assemblages soumis la combinaisondefforts M/N bas sur la mthode des composantes est dvelopp en se basant sur les critresde lEC3 (Figure I-22).

Figure I-20 : Diagramme dinteraction M/N pour les diffrentes composantes de

lassemblage

Figure I-21 : Diagramme dinteraction M/N pour diffrentes caractristiques

de la courbe M-

Force axiale (%Npl,poutre)

Moment(kN.m

)

Moment(kN.m

)

Force axiale (%N l,poutre)

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Figure I-22 : Modle analytique dassemblage poteau-poutre (interaction M/N)

Une recherche exprimentale a t entreprise par Coelho [Coelho 2006] sur desassemblages poteau-poutre avec platine dabout boulonne. Deux nuances dacier, S690 etS235, sont utilises pour la platine dabout. Les poteaux HE300A et poutres HE340M ont lamme nuance S355. Diffrentes paisseurs de platine sont considres. Les boulons sont desM24 de classe 12.9 ou 8.8. Le montage dessai est prsent la figure I-23. A partir desassemblages tests, les auteurs ont montr que l'idalisation de la zone tendue de l'assemblage

par un tronon en t adopt dans lEC3 donne des rsultats prcis de rsistance et de rigidit,mme en utilisant des aciers de haute rsistance (HSS). Cependant, pour lassemblage entieravec platine en acier haute rsistance, les procdures de calcul selon lEC3 reprsentent defaon satisfaisante la rigidit initiale de lassemblage, mais surestiment les momentsrsistants. Les auteurs recommandent l'utilisation des boulons de classe 8.8 car les boulons declasse 10.9 ont une ductilit trs limite ce qui limite la dformation de l'assemblage. Ceci est

particulirement vrai pour les assemblages avec platines d'extrmit dbordantes o la ruine

des boulons se produit par une rotation excessive prs de la tte (figure I-24).

Figure I-23: Montage dessai d'assemblage par platine dabout [Coelho 2006]

Poutre :HE340M (S355J2)

Vrin

Capteur de force

Poteau : HE300A (S355J2)

1300 mm

1540 mm

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Figure I-24 : Dforme du tronon en t de lassemblage et la flexion du boulon

9.1.2 Assemblages renforcs par raidisseur de platine

Deux sries dessais, sous chargement cyclique, dassemblages poteau-poutre par

platines dabout raidies, attaches au poteau par quatre ranges de boulons, sont raliss dansle but de montrer linfluence du renforcement par des raidisseurs de platine sur lecomportement [Ghobarah 1990, Korol 1990, Ghobarah 1992]. Au total, onze assemblages ontt tests. Les auteurs ont conclu que les assemblages avec raidisseurs de platines dabout

prsentaient un meilleur comportement par rapport aux assemblages non raidies en particulieren terme de moment rsistant dans les rgions o l'intensit sismique est leve. De mme,

pour un assemblage avec platine dabout non raidie de rsistance gal MP, lajout dunraidisseur de platine dabout raidie permet davoir un moment rsistant suprieur ou gal 1,3Mp, o Mpest le moment plastique de la poutre condition que la zone comprime ne limite

pas la rsistance de l'assemblage. Ces raidisseurs peuvent limiter les dformations de laplatine d'about dans la partie dbordante et empcher la concentration des contraintes dans la

platine d'about, au niveau de la semelle tendue de la poutre. Ils ont galement recommandl'utilisation de poteaux raidis pour viter les ruines en zone comprime.

Trois groupes dassemblages poteau-poutre et poutre-poutre par platine dabout raidieboulonne par huit ranges de boulons sous chargement monotone ont t examins parMazroi [Mazroi 1990]. Les spcimens dans un groupe concernent seulement des assemblages

poteau-poutre de rive (configuration unilatrale). Les spcimens dans les deux autres groupesconcernent des assemblages poteau-poutre de configuration bilatrale et des assemblages

poutre-poutre (Figure I-25). Certains assemblages ont t renforcs par raidisseurs dans leszones tendues et comprimes du poteau et d'autres ont eu des raidisseurs seulement dans lazone comprime du poteau. La platine dabout a la mme largeur que la semelle de la poutre

pour tous les essais. Ces essais ont confirm que le raidisseur dans la zone tendue amliore larigidit et le moment rsistant de lassemblage.

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Figure I-25 : Mesure de la sparation des platines dabouts [Mazroi 1990]

Trois essais sur assemblages par platines d'about dbordantes boulonnes par quatreranges de boulons ont t raliss [Tsai 1990]. Les auteurs ont prcis que le renforcementdes assemblages par raidisseurs de platine dabout et lutilisation de boulons plus rsistants

peut amliorer de manire significative le comportement de ces assemblages sous chargementcyclique en augmentant leur capacit de rsistance plastique et en diminuant l'effort de levier.Les auteurs ont constat que le procd de dimensionnement, des assemblages de platinedabout soumis au chargement monotone, propos par le rglement amricain (AISC 1986)tait satisfaisant bien que dans certains cas des ruine dassemblage par ruptures de boulons sesoient produites. Ils ont donc propos de conserver les rgles existantes mais daugmenter lediamtre des boulons par un facteur de 1,6.

Six essais dassemblages poteau-poutre avec platine dabout dbordante raidieboulonne par quatre rangs de boulons sous chargement statique et cyclique ont t tests parSeradj [Seradj 1997]. Dans cette tude, pour tous les spcimens, seule l'paisseur de la platine

dabout a t change, alors que les autres dimensions gomtriques ont t maintenuesconstantes. Les dtails de la platine dabout teste sont prsents la figure I-26. Il convientde noter que la platine dabout est plus large que la poutre. Il a t constat que ce typedassemblage pourrait agir en tant quassemblage entirement rigide ou semi-rigide dpendant

principalement de lpaisseur de la platine dabout et du diamtre des boulons. Les platinesminces favorisent le comportement semi-rigide. Par consquent, il est possible de concevoirun assemblage qui possde une ductilit suffisante en choisissant une platine daboutrelativement mince et des boulons de plus grands diamtres.

Figure I-26 : Dtail de la platine dabout teste [Seradj 1997]

bb

tphb

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Une recherche exprimentale sur 15 assemblages par platine dabout subissant une

charge cyclique est effectue [Adey 2000] afin dvaluer limportance de certains paramtres

de conception. Les paramtres sous investigation sont les dimensions de la poutre, la

configuration de lemplacement des boulons, lpaisseur de la platine dabout, le processus de

soudage et la prparation pour la soudure. Parmi les 15 spcimens, onze sont conus de faon

favoriser la ruine au niveau de la platine dabout, alors que les quatre autres sont conus afindatteindre la capacit du moment plastique de la poutre. Les auteurs ont conclu que

lutilisation des raidisseurs de platine dabout augmente le moment rsistant de lassemblage,

la capacit de rotation aussi bien que la capacit de dissipation d'nergie. Une augmentation

de lpaisseur de la platine dabout permet une augmentation du moment rsistant de

lassemblage. En outre, la flexion des boulons est observe sur tous les spcimens tests.

Une srie de huit spcimens dassemblages par platine dabout dbordante boulonne

a t examine sous chargements cycliques [Shi 2007a, Shi 2007b]. La figure I-27 montre le

dispositif d'essai utilis par les auteurs. Les paramtres tudis taient lpaisseur de la platine

dabout, le diamtre des boulons, le renfort de la platine dabout dbordante, le renfort du

poteau, le type de platine dabout dbordante ou non et l'effet du cisaillement du panneaud'me du poteau (Figure I-27). Les rsultats indiquent que les assemblages avec platine

dabout dbordante prsentent une plus grande rigidit, une plus grande ductilit et une

grande capacit de dissipation d'nergie. Ce type dassemblage prsente une alternative de

conception sous sollicitation sismique. Les auteurs ont conclu que les assemblages par platine

dabout, sans raidisseurs de poteau, ont montr des caractristiques mcaniques plus faibles

que celles des assemblages renforcs. Ainsi l'utilisation des raidisseurs de poteau dans les

assemblages est recommande de point de vue conception sismique. L'utilisation de platines

d'about dbordantes et raidies peut augmenter le moment rsistant de l'assemblage, sa capacit

de rotation et sa capacit de dissipation d'nergie. Ces raidisseurs peuvent empcher que la

dformation inlastique soit concentre dans les racines de la prolongation de la platine

dabout et transformer le mode de dformation de la platine dabout dbordante dune flexionuni-axiale une flexion bi-axiale ce qui minimiserait ses dformations (Figure I-28). Un

modle analytique, valid par des rsultats exprimentaux, dcrivant le comportement

moment-rotation de ce type dassemblage a t propos par les auteurs.

Figure I-27 : Essai d'assemblage par platine dabout raidie [Shi 2007]

Raidisseur

Poutre

Raidisseur de platine

Raidisseurs

Support rigide

Poteau

Vrin

Capteur de force

Platine dabout

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Figure I-28: Dformes des assemblages tests

Des recommandations sur le dimensionnement des raidisseurs de platine dabout sontproposes dans le document AISC [AISC 2005]. Elles considrent que le raidisseur quirenforce la platine dabout agit comme une partie continue de lme de la poutre qui permetde transfrer une partie de la force de traction de la semelle de la poutre vers la platinedabout et puis aux boulons de l'assemblage. Pour assurer un transfert favorable de la charge,des dtails de la gomtrie du raidisseur de la platine dabout est prendre en considration.La figure I-29 illustre la disposition recommande de la gomtrie du renfort de la platinedabout.

Figure I-29 : Gomtrie des raidisseurs de platine dabout boulonne

La longueur minimum de renfort est:

30tanst

st

hL (Eq. I-2)

Avec :Lst: Dimension du raidisseur soud sur la semelle de la poutre ;hst: Dimension du raidisseur soud sur la platine.

25 mm

25 mm

hst

Lst

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Lpaisseur du renfort est :

ys

ybwbst f

ftt

(Eq. I-3)

Avec :

wbt : Epaisseur de lme de la poutre ;

ybf : Limite lastique de la poutre ;

ysf : Limite lastique du raidisseur.

Pour faciliter la soudure du renfort, les raidisseurs au niveau de la semelle de la poutre etau niveau externe de la platine dabout devraient tre aplatis approximativement de 25mm.

Les raidisseurs devraient tre coups lintersection entre la semelle de la poutre et laplatine dabout afin dviter la concentration des contraintes ce niveau.

Pour fournir un chemin cohrent de transfert de la charge dans lassemblage, avec platinedabout raidie, le raidisseur de la platine doit avoir une limite d'lasticit plus importanteque lme de la poutre. Cependant, lorsque les raidisseurs de la platine dabout ont lesmmes rsistances que lme de la poutre, l'paisseur des raidisseurs devrait tresuprieure ou gale l'paisseur de l'me de la poutre.

Aucune recommandation nest donne pour les dimensions limites (maximale et minimale)des raidisseurs de platine dabout.

9.2 Modles lments finis

Plusieurs tudes ont t ralises dans le domaine de la modlisation par lments finisdassemblages poteau-poutre et poutre-poutre chargs symtriquement, en 2D et 3D. Lacomparaison entre le comportement rel de l'assemblage et celui obtenu par la modlisation at souvent abord en se basant sur les courbes moment-rotation.

9.2.1 Modlisation bidimensionnelle des assemblages

Un model dassemblage bidimensionnel en utilisant des lments de plaque en calcullasto-plastique a t dvelopp par Jenkins et al. [Jenkins1986]. Les auteurs ont suppos quela dformation majeure de l'assemblage est due la flexion de la platine dabout car lasemelle du poteau tait paisse et raidie, ce qui limite sa dformation. Ainsi, dans l'analyse,

seule la platine dabout est considre comme une plaque avec des conditions aux limitesspcifiques le long du profil de la poutre. Les boulons dans la zone tendue sont modliss pardes conditions de compatibilit au niveau de leurs positions sur la platine en ngligeant les

boulons dans la zone comprime (Figure I-30). La moiti de l'prouvette est modlise enraison de la symtrie par rapport aux plans passant par les mes de la poutre et du poteau. La

poutre et le poteau utiliss sont respectivement des profils (305 x 165 x 54 UB) et (254 x 254x 132 UC). Les boulons sont des M20 de classe 8.8 non prcontraints. L'paisseur de la

platine dabout varie de 12 25 mm.

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Figure I-30: Modles lments finis 2D [Jenkins1986]

Cette analyse par lments finis est utilise pour dterminer la courbe moment-rotationde l'assemblage avant de la comparer avec les rsultats exprimentaux. La courbe moment-

rotation est obtenue numriquement en mesurant le dplacement au centre des boulons.Ensuite, ce dplacement est transform en rotation de lassemblage autour de la semellecomprime de la poutre. Les courbes moment-rotation ainsi obtenues sont toujours situes endessous des courbes exprimentales (Figure I-31). Nous pouvons noter que la nature de cetype d'lments finis et le type de modlisation choisie ncessite une simplification importantedes conditions aux limites, des boulons et du chargement ce qui nuit l'efficacit du modle.

Une modlisation dassemblages par platine dabout boulonne avec quatre ranges enutilisant des lments finis en contraintes planes est labore par Bahaari et al. [Bahaari 1994]en utilisant le logiciel dlments finis ANSYS. L'assemblage est modlis dans le plan

passant par les mes de la poutre et du poteau. Toutes les dimensions relles sont prises en

compte dans ce plan. Lpaisseur des lments est choisie gale la largeur relle dans ladirection transversale. Le moment appliqu la poutre est remplac par une force distribueuniformment sur les semelles et linairement sur l'me. Des lments d'interface sont utiliss

pour modliser le contact entre la platine dabout et la semelle de la poutre. Une loi decomportement bilinaire est utilise dans la modlisation des matriaux de la poutre, du

poteau et de la platine dabout. Cependant, une loi de comportement tri-linaire est considrepour la modlisation des boulons. Chaque boulon dans la zone tendue de l'assemblage estreprsent par plusieurs barres. Pour valider le modle, les courbes moment-rotation decertains assemblages sont compares avec celles obtenues par les essais exprimentaux tests

par Jenkins [Jenkins 1986]. Dans les donnes exprimentales et numriques, la rotati