1ère journée technique ISMANS-EFECTIS sur les méthodes avancées de la résistance au feu des structures et ouvrages

Éléments à parois élancées soumis à des efforts combinés de flexion et de compression à haute température

Comportement mécanique des éléments métalliques avec phénomènes d’instabilité

Poteaux à parois minces en situation d’incendie soumis à l’effet combiné d’une flexion et d’une compression : Contexte

Essais au feu

Modèle numérique

Étude paramétrique

Résultats

Conclusions

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SOMMAIRE

Instabilités globales :

Flambement : pris en compte directement avec les éléments de type « poutre »

Déversement des poutres en flexion : pris en compte avec les éléments de type « poutre » incluant les effets de gauchissement (dans ANSYS degré de liberté supplémentaire)

COMPORTEMENT MÉCANIQUE DES ÉLÉMENTS MÉTALLIQUES AVEC PHÉNOMÈNES D’INSTABILITÉ

3

Voilement local d’une ou de plusieurs parois minces : En plus des phénomènes globaux vus précédemment peuvent

apparaître des voilements locaux

Peut se produire dans l’âme, la(les) semelle(s) comprimée(s)

4

COMPORTEMENT MÉCANIQUE DES ÉLÉMENTS MÉTALLIQUES AVEC PHÉNOMÈNES D’INSTABILITÉ

Cas des profilés métalliques soumis à la combinaison d’une flexion et d’une compression : Souvent une combinaison de plusieurs phénomènes d’instabilité

Chacun étant plus ou moins prononcé

Essais au feu sur des poteaux comprimés et fléchis (compression avec excentricité)

Comparaison des modèles de calcul par éléments finis par rapport aux essais réels en termes de : Capacité portante des poteaux

Mode de ruine des poteaux

Mise en place d’une étude paramétrique numérique permettant de couvrir un nombre important de cas de poteaux à parois minces soumis à de la compression et de la flexion

CONTEXTE DE L’ÉTUDE

5

Voilement de l’âme sous l’effet de la compression + Flambement selon l’axe faible

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ESSAIS AU FEU SUR DES POTEAUX COMPRIMÉS ET FLÉCHIS

4 poteaux testés dans le laboratoire de l’ULg :

Profilés reconstitués soudés Profilé laminé à

chaud

Dimensions (mm)

360x4+150x5 360x4+150x5 500x300x4+150x5 HE340AA

Taux de chargement*

0,5 0,5 0,5 0,4

Charge appliquée (kN)

231,3 166,4 219,0 760,8

* Taux de chargement : rapport de la charge appliquée sur la charge de ruine à température ambiante

Moyens mis en place pour les essais :

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ESSAIS AU FEU SUR DES POTEAUX COMPRIMÉS ET FLÉCHIS

Cadre

Système d’isolation et conditions aux

limites

Simulations numériques réalisées avec le code de calcul ANSYS :

Calcul statique suivi d’un calcul dynamique pour évaluer le comportement postcritique

Éléments de type « coque » :

8 nœuds (SHELL281)

5 points d’intégration dans l’épaisseur

Environ 150 000 degrés de liberté

Utilisation des propriétés mécaniques provenant d’échantillons issus des éléments testés

Loi contrainte-déformation issue de l’EUROCODE 3 (acier) Partie feu

8

CALIBRATION DES MODÈLES NUMÉRIQUES PAR RAPPORT AUX ESSAIS AU FEU

Application d’imperfections géométriques de type sinusoïdal : Forme des imperfections basée sur les relevés effectués sur les poteaux

Mesures effectuées séparément pour chaque semelle et pour l’âme

Amplitudes maximale utilisée (légèrement sécuritaire) ainsi que le nombre de période exact

Application de la température moyenne relevée sur les différents thermocouples lors des essais : Facteurs de réduction pour la loi contrainte-déformation issus de l’EUROCODE

3 Partie feu

Prise en compte de la dilatation thermique

9

CALIBRATION DES MODÈLES NUMÉRIQUES PAR RAPPORT AUX ESSAIS AU FEU

Modes de ruine numériques comparés aux modes de ruine obtenus pendant les essais :

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CALIBRATION DES MODÈLES NUMÉRIQUES PAR RAPPORT AUX ESSAIS AU FEU

Poteau n°1 Poteau n°2

Poteau n°3 Poteau n°4

Températures critiques obtenues numériquement comparées aux températures critiques obtenues lors des essais :

Très bonne corrélation entres les essais et le calcul en termes de mode de ruine et de température critique

Validation du modèle numérique pour mener à bien l’étude paramétrique

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CALIBRATION DES MODÈLES NUMÉRIQUES PAR RAPPORT AUX ESSAIS AU FEU

Température critique (°C)

N° Section ANSYS (FEM) ESSAI

1 360x4+150x5 503 510

2 360x4+150x5 531 530

3 HE340AA 634 623

4 500x300x4+150x5 537 505

Sections étudiées : 8 sections en profilé reconstitué soudé

1 section en profilé laminé à chaud

Nuances d’acier : S355

S460

Températures sélectionnées : Ambiante : 20 °C

Situation d’incendie : 350 °C, 450 °C, 550 °C et 700 °C

Différentes longueurs pour les éléments calculés (influence de l’élancement réduit)

Flambement axe fort et axe faible

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ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE

4 diagrammes de flexion :

5 combinaisons de chargement : Compression pure

3 interactions compression/flexion

Flexion pure

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Uniforme Triangulaire

Bitriangulaire Parabolique

ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE

Total ≈ 5900 simulations

Imperfections géométriques basées sur la combinaison de : Mode propre « global »

Mode propre « local »

Amplitude choisie conformément aux recommandations des normes (EN 1993-1-5 et EN 1090-2:2008)

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ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE

Imperfections matérielles : Implémentation des contraintes résiduelles

Schéma de distribution différent selon le type de profilé :

Adaptation du maillage peut être nécessaire dans le cas d’un profilé reconstitué soudé

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ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE

fy

0.25 fy

T

C

T

T

C

C

0.25b

0.15b

0.075hw0.125hw

fy

0.25 fy

b

h

Soudé Laminé à chaud

Déroulement du calcul par éléments finis de type GMNIA à haute température :

1. Création du modèle géométrique et du maillage

2. Application des chargements et conditions aux limites

3. Implémentation des contraintes résiduelles sur modèle initial

4. Calcul des modes propres de flambement et affectation des imperfections géométriques correspondantes

5. Équilibrage du système nécessaire à l’aide d’un pas de temps spécifique

6. Accroissement de la température dans l’élément avec la dilatation thermique du modèle libre

7. Accroissement incrémentale des charges jusqu’à la ruine de l’élément

ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE

* GMNIA : Geometrically and materially nonlinear analysis with imperfections included

Illustration des calculs numériques :

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ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE

Flambement axe faible

Déversement

Voilements locaux

Équations tirées de celles de l’EN 1993-1-2 pour le calcul de résistance d’une poutre fléchie et comprimée :

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UTILISATION DES RÉSULTATS NUMÉRIQUES OBTENUS

Comportement EN 1993-1-2 FIDESC4

Moyenne (norme/FEM) 0,73 0,91

Pourcentage de cas non-sécuritaires

0 19,25

Ratio non-sécuritaire maximal N/A 1,14

Pourcentage de points non-économiques (>15%)

95,51 28,75

Les modélisations numériques doivent être calibrées à l’aide d’essais eu feu

Les calculs permettent d’obtenir une base de données importante (ici 5900 simulations numériques) tout en limitant les coûts

Les simulations numériques aident à proposer des règles de calcul simplifié ayant une bien meilleure précision tout en respectant les critères de sécurité

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CONCLUSION

Merci de votre attention

Arnaud SANZEL 0160138324 asanzel@cticm.com