Tp Robot 2010

UJF - UFR de Mécanique TP construction métallique L3 GCI Utilisation de Robot 2009-2010

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Utilisation de ROBOT

ROBOT Millennium est un logiciel de calcul et d'optimisation des structures. Il utilise la méthode d’analyse par éléments finis pour étudier les structures planes et spatiales de type treillis, portiques, grillages de poutre… Il s’agit d’un logiciel orienté métier adapté aux constructions en acier, en bois (traditionnelles, lamellé-collé, etc...), en béton armé ou mixte. Il comprend des modules d'assemblage, de ferraillage, de vérification et de dimensionnement suivant les différentes normes nationales existantes.

Dans le cadre de ces TP, l’objectif est de prendre en main le logiciel en vue de l’étude, du calcul et de l’optimisation de structures acier.

Ce document vise à introduire les rudiments permettant d’effectuer le calcul d’une structure acier. Il présente, en suivant la démarche classique pour un calcul de ce type, les différentes commandes et fonctions élémentaires. Entre parenthèses sont indiquées certaines indications utiles à la réalisation de premier TP proposé (portique 2D).

Cette fiche ne prétend pas être exhaustive quant à l’utilisation de Robot dans le cadre de ces TP. Il faudra probablement faire preuve d’autonomie et de curiosité.

Fonctions d’ordre général

Démarrage - Lancer ROBOT Millenium. - Choisir le type de problème à résoudre. (portique 2D).

Robot fonctionne avec un système de bureaux accessibles par les menus déroulants supérieurs ou, pour les plus importants, par les icones raccourcis à droite. Chaque bureau possède sa propre représentation dans des fenêtres qui lui sont spécifiques. On peut cependant accéder à toutes les fonctions depuis n’importe quel bureau.

Fichier de travail et sauvegarde Il est conseillé de travailler sur un fichier local (que l’on veillera à sauvegarder régulièrement sous un nom différent), c’est à dire directement sur le disque dur de l’ordinateur. On pourra par exemple créer un répertoire sur ‘‘C:\Temp’’ ou sur le bureau. Il est déconseillé de travailler sur un disque réseau car les fichiers Robot sont très volumineux.

Affichage Menu accessible par les menus déroulants ou par clic droit. Choix des éléments à représenter graphiquement par modification des options d’affichage (sous menu attributs)… Une icône utile : l’icône « vue » dans le bandeau supérieur permet de choisir l’angle de vue (plan donné, vue 3D…)

Définition du modèle

Lignes de construction Ce bureau vous permet de tracer des lignes de construction nécessaires à définir la géométrie de la structure. Cela correspond à prédéfinir sa propre grille à l’écran. Son utilisation est toutefois facultative.

- Structure/Lignes de construction ou icône. (définir des lignes verticales à x = 0 et 18m, des lignes horizontales à z = 0 et 6m). Possibilité de sélection graphique.


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Barres (géométrie des fibres moyennes) Ce bureau mène à définir la géométrie par l’ajout d’éléments de barres.

- Structure/barres ou icône « barres ». - Définir le type de barres (poteau, poutre…). - Définir les nœuds par coordonnées/ajouter ou, graphiquement par clic à l’écran. Attention

l’ordre de création des nœuds d’une barre fixe l’orientation du repère local de la barre. Il est par ailleurs conseillé de respecter le repère proposé par l’énoncé.

Remarque : on peut éditer la liste des nœuds, barres, liaisons. Affichage/tableaux/sélectionner les éléments à lister.

Sections et matériaux (géométrie des sections et matériau constitutif) Dans le bureau profilés,

- Structure/caractéristiques/profilés ou icône « profilés ». - Définir les profilés (sections). Icône nouveau/Choix d’une bibliothèque/sélection dans la

base de données/Ajouter. (dans un premier temps, on pourra définir seulement une section IPE 100, à partir de la bibliothèque Standard).

- Affecter les sections aux barres : sélection du profilé dans la liste/appliquer par simple clic sur la barre.

Remarque : pour la sélection simultanée de plusieurs éléments, la boîte à outils édition/sélectionner peut être utile.

Dans le bureau matériau, - Structure/matériaux ou icône « matériaux ». - Sélection du matériau dans le menu déroulant (Acier E24 dans le premier TP) / sélection du

profilé concerné/appliquer.

Remarque : par clic droit sur une barre, on peut vérifier toutes ses propriétés.

Il peut être préférable de définir au préalable toutes les sections qui seront utilisées dans le projet.

Appuis et relâchements (liaisons) Dans la terminologie ROBOT :

• Appuis : liaisons entre la structure et l’extérieur. Ils s’appliquent aux nœuds et sont définis par rapport au repère global de la structure.

• Relâchements : liaisons entre barres. Ils s’appliquent aux barres et sont définis par rapport aux repère local de la barre (cf. Affichage/Attributs/Repère local). Par défaut toutes les barres sont encastrées entre elle, et on définit les degrés de liaison que l’on souhaite relâcher.

- Structure/appuis ou icône « appuis ». Définir les appuis (sélectionner dans la liste ou créer nouveau)/appliquer aux nœuds concernés.

- Structure/relâchements. Définir les relâchements (sélectionner dans la liste ou créer nouveau selon liaison origine et extrémité de la barre) puis appliquer aux barres concernées.

Chargement (efforts extérieurs)

On se posera d’abord les questions suivantes : Quel chargement ? Quel type ? Sur quel élément ? Avec quelle intensité ? Et on réalisera si nécessaire une mini descente de charges pour les charges qui s’appliquent sur des éléments qui ne sont pas modélisés.

Cas de charge élémentaires Ce bureau permet de créer des cas de charges selon leur nature.


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- Chargement/cas de charge ou icône cas de charge. Pour créer un cas de charge, renseigner nature (permanent, exploitation, vent…)/numéro/nom/nouveau. (on pourra par exemple choisir les charges élémentaires proposées dans l’énoncé)

Charges associées - Ouvrir le bureau chargements : Chargement/chargements ou icône. - Sélectionner un cas de charge (dans le bureau cas de charge ou dans le menu déroulant du

bandeau supérieur). - Définir les chargements associées à ce cas de charge : type de charge (aux nœuds, sur les

barres, poids propres)/définir leur intensité, orientation…/ajouter. Appliquer graphiquement aux éléments concernés.

Remarque : en général un cas élémentaire nécessite plusieurs chargements.

On peut visualiser graphiquement les chargements associés à un cas de charge en sélectionnant sa ligne dans le bureau cas de charges ou dans le menu déroulant..

Combinaisons de cas élémentaires - Définir les combinaisons des cas élémentaires : chargement/combinaison. - Si nécessaire, modifier le coefficient de l’action avant de l’injecter dans la combinaison.

(dans le cas simple du premier TP, la combinaison 1.00*p + 1.00*F sera utilisée).

Attention au type de combinaison : DEP = déplacement = ELS ; EFF = effort = ELU ; ACC = accélération = calcul dynamique. Les critères de dimensionnement associés sont différents selon le type de combinaison (cf. eurocode).

Calcul

Avant de lancer le calcul : vérifier rapidement que la structure est définie conformément à l’énoncé : sections, liaisons, matériau, éditer métré, chargement (affichage/tableaux/métré ou chargement ou …). Vérifier qu’il n’y a pas de nœuds dupliqués : Analyse/vérifier la structure et si nécessaire supprimer les nœuds en question : Edition/corriger.

- Lancer le calcul : Analyse/calculer ou icône calcul.

Résultats

On peut obtenir les résultats d’un calcul soit de manière graphique en traçant les « diagrammes », soit de manière numérique en affichant les tableaux de valeurs.

Diagrammes Cela permet d’avoir une visualisation globale qualitative des efforts internes (N, T, Mf), des déformées, des contraintes et des réactions d’appuis. Il faut sélectionner le cas de charge ou la combinaison que l’on souhaite visualiser. Attention, les contraintes sont comptées positives en compression (convention Béton Armé).

- Résultats/diagrammes/choix des types de résultats à visualiser (nature des résultats, valeurs à afficher…).


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Tableaux Cela permet d’obtenir des valeurs aux nœuds des réactions, efforts internes, contraintes, déplacements et flèches.

- Résultats/Efforts ou … - Bouton droite souris pour filtrer le cas de charge et/ou les barres (ou nœuds).

Chaque tableau possède trois onglets (en bas de la fenêtre) : valeurs (= toutes les valeurs pour tous les éléments sélectionnés et tous les cas de charge), enveloppe (= valeurs maximales par élément pour les cas sélectionnés), extrêmes globaux (= valeurs maximales globales). On peut récupérer les tableaux sous forme de fichier Excel. On peut aussi ajouter des colonnes dans chacun des tableaux (clic droit souris).

Dimensionnement

Dans ROBOT le dimensionnement se fait aux ELU par famille de barres. On peut ensuite vérifier toutes les barres aux ELS et ELU. Le dimensionnement est fait à partir du calcul précédent des efforts internes. Veillez à garder un œil critique sur les résultats obtenus (il peut y avoir des erreurs malgré les précautions que vous aurez prises).

- Analyse/dimensionnement/dimensionnement acier ou icône.

Cette commande charge l’environnement associé au dimensionnement, avec en particulier les deux fenêtres « définir » et « calcul ».

Définition des familles d’éléments On souhaite par exemple que tous les poteaux soient réalisés avec le même profilé, on va donc définir une famille « poteaux ».

- Analyse/dimensionnement acier/définir (correspond à la fenêtre « définir »). - Pour définir ces familles, saisir successivement : n° / liste de barres / catalogue de sections

(on peut choisir une gamme complète, exemple IPE) / nom / matériau.

Critères de dimensionnement - Analyse/dimensionnement acier/bloc définition calcul (correspond à la fenêtre « calcul »).

Aux ELU le critère de dimensionnement est lié à la contrainte limite élastique du matériau. (Vérifier que les profilés sont bien en ACIER E24 (limite élastique = 240MPa) dans la définition de la famille). Aux ELS le critère de dimensionnement est une flèche maximale admissible. Il faut définir pour chaque barre la valeur de ce maximum dans Structure/Paramètres réglementaires/Type de barre acier/… : icône « nouveau » pour vérifier les critères et données (en particulier on vérifiera le bouton « service ») et/ou pour créer de nouveaux critères.

• Attention, une barre qui n’a aucun « type » n’est vérifiée ni aux ELU ni aux ELS. • En général par défaut les barres sont de type « barre » = pas de contrainte de flèche (= pas de

vérification au ELS). • Pour les éléments porteurs verticaux on souhaite un déplacement en tête < L/150. • Pour les éléments porteurs horizontaux on souhaite une flèche au centre < L/200. • Les éléments non-porteurs ne sont pas vérifiés aux ELS.

Dimensionnement Le dimensionnement proprement dit se fait par l’intermédiaire de la fenêtre « Calculs ».

- On choisit les pièces ou les familles à vérifier ( ELS attention au choix du cas de charge et chargements associés) ou à dimensionner ( ELU même remarque), les cas de charge (certains sont aberrants par exemple la neige seule), les états limites (éviter de dimensionner aux ELS) puis « calculer ».


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- Le résultat apparaît dans une nouvelle fenêtre. En cliquant sur un profilé on obtient la note de calcul qui permet de valider ou non le dimensionnement. On peut changer les profilés des barres à partir de cette même fenêtre si l’on a opté pour un dimensionnement.

Edition d’une note de calcul

Il est possible d’éditer de façon dynamique une note de calcul en y ajoutant chacun des éléments souhaités, par exemple : liste de nœuds, diagrammes, vérification des barres… On choisira parmi tous les éléments possibles ceux que l’on souhaite faire apparaitre dans la note.

- Pour ajouter une liste de nœuds, de barres, des cas de charge… : Affichage/tableaux/sélectionner les éléments à lister. Fichier/capture d’écran.

- Pour ajouter des diagrammes et tableaux : Fichier/capture d’écran/nom. - Après les calculs de vérification des barres (cf. dimensionnement/vérification), on peut

ajouter les résultats dans la note de calcul en cliquant pour une barre, une famille ou l’ensemble sur « note de calcul ».

- Pour éditer et compléter la note de calcul : Fichier/composition impression/choix des éléments souhaités (standards, captures d’écran…).

Structure 3D

Création de la géométrie d’une structure 3D Pour cela, on procédera globalement de la même façon qu’en 2D :

- Création des lignes de construction. - Définir la géométrie du premier portique (barres, sections etc…). - Répéter ce portique par l’utilisation des commandes suivantes :

Edition/transformer/translation ou rotation ou symétrie…/copier ou déplacer, nombre de répétitions, incrément de numérotation… La géométrie et l’ensemble des propriétés sont copiés.

Création de pannes et barres de contreventement - Créer les barres - Orientation des sections des pannes : Structure/caractéristiques/angle gamma. - Définir des groupes de barres : Edition/sélectionner/attributs/type/groupe/…

Penser à utiliser les outils d’aide à la sélection (édition/sélectionner…)

Définition des liaisons

Définition des chargements

…

Dimensionnement Remarque sur le dimensionnement des barres de contreventement : Commencer par surdimensionner les barres de contreventement et ne pas tenir compte de leur flambement. La lecture de la contrainte de traction dans la note de calcul permet un dimensionnement « à la main » très aisé. Lorsque toute la structure est dimensionnée, déclarer que ces barres ne travaillent qu’en traction « Structure/Autres attributs/Caractéristiques avancées/Barre en traction » et les vérifier aux ELU. Les calculs devenant alors non linéaires et donc beaucoup plus lourds avec parfois des problèmes de convergence il est recommandé de procéder à cette étape en dernier.

…

UJF - UFR de Mécanique TP construction métallique L3 GCI Etude de portiques 2D 2009-2010

TP Robot n°1 : Etude de 4 portiques

On demande d’étudier et de déterminer les sections de la traverse et des poteaux pour chacun des quatre portiques I, II, III et IV ci-dessous (HEA pour les poteaux et IPE/IIPE pour la traverse, matériau : acier E24). La hauteur h des poteaux est de 6m et la portée L des portiques est de 18m. Dans le plan des portiques, les traverses et poteaux fléchissent autour de l’axe de plus forte inertie (YY). Le dimensionnement des éléments à l’ELS et à l’ELU est limité aux cas de la charge répartie verticale p (cas1) et à la force horizontale concentrée F (cas2) en tête de poteau. Le poids propre de la structure n’est pas à prendre en compte.

Valeurs Charges

ELS ELU Conditions ELS

P (kN/m) 10,21 14,30 f ≤ L / 250

F (kN) 23,61 33,05 δ ≤ h / 150

Travail demandé : Pour chaque portique on doit déterminer les sections optimales des poteaux et de la traverse en respectant les conditions de flèches (ELS) et de résistance (ELU). On négligera l’effort tranchant. Le compte-rendu du TP consiste à analyser le fonctionnement de chaque portique vis-à-vis des charges p et F. Ce compte rendu « papier » sera clair, succinct et inclura la réponse aux éléments suivants :

- Pour les sections optimales : diagrammes du moment, de l’effort normal, et déformée exacte. - Une analyse critique en comparant les portiques entre eux (on commentera par exemple les

relations entre valeurs max, répartition des efforts dans la structure, sections optimales, types de liaisons…).

- Comparaison d’un point de vue économique (poids/cout/difficulté de réalisation…). - Donner des exemples de solutions technologiques pour réaliser les différentes liaisons rencontrées.

Appréciation : réflexion/esprit critique, organisation et cohérence du compte rendu, curiosité, résultats, clarté…

Compte rendu à rendre lors de la troisième séance de TP

PORTIQUE IV

pF

PORTIQUE III

pF

PORTIQUE I

pF

PORTIQUE II

pF

x

z

UJF - UFR de Mécanique TP construction métallique L3 GCI Hangar industriel 2009-2010

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TP Robot n°2 : Dimensionnement d’un hangar industriel

L’étude porte sur une structure métallique qui constitue l’ossature d’un entrepôt industriel. Cette étude a été commandée par votre client « Ma Petite Entreprise » situé à Valence (26). La structure est représentée ci dessous. La couverture en fibrociment (non modélisée) est supportée par un ensemble de pannes qui reposent sur 4 fermes parallèles appuyées sur 8 poteaux. Les flancs du bâtiment sont garnis d’un bardage (non modélisé). Objectif du TP : Etude et dimensionnement de la structure métallique du hangar. Production de la note de calcul associée au dimensionnement de ce bâtiment.

Caractéristiques de la structure

• Dimensions : voir figures. • Matériau : acier E24. • Barres :

- Repère 1. Poteaux : HEB - Repère 2. Fermes (membrures inférieures et supérieures) : IPE - Repère 3. Diagonales des fermes : tube carré standard - Repère 4. Pannes : IPE - Repère 5. Contreventement : rond plein

• Liaisons (cf. schémas de principe) : Les pieds de poteaux sont articulés autour de la direction X, les pannes et les diagonales des fermes sont supposées articulées. Les barres de contreventement sont articulées dans leur plan et leur résistance en compression est négligée (dimensionnement en traction seule).

Elévation d’un portique

10,00

4,50

1,50

1

3

2

X

Z

O


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Perspective

Chargements

La structure est soumise à 5 cas de charge élémentaires : • Poids propre = G • Neige = N • Vent dans la direction X = Vx • Vent dans la direction Y = Vy • Dépression sur la toiture due au vent X ou Y = Vz

Poids propre (cas n°1) Le poids propre est appliqué à toute la structure modélisée (sauf les barres de contreventement) ainsi qu’à la couverture qui pèse 0,20 kN/m² (charge équivalente sur les pannes à calculer « à la main »). Il est considéré que le poids propre du bardage descend directement au niveau du sol de fondation.

Neige (cas n°2) La charge de neige sur une surface horizontale est évaluée à 0,60 kN/m². Elle est appliquée à la couverture, et donc indirectement aux pannes. Attention : sur une surface inclinée, cette charge correspond à une épaisseur de neige mesurée verticalement (et non pas perpendiculairement à cette surface).

Vent X (cas n°3) Les charges horizontales dues au vent dans la direction X seront appliquées uniquement au bardage des longs pans. Celui-ci est maintenu par des lisses horizontales qui s’appuient sur les poteaux. Ces charges seront donc appliquées aux poteaux (calculer la charge équivalente…).

4

5 4,00

4,00

4,00

Y X

Z

O


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La face au vent est soumise à une surpression de 0,47 kN/m² et la face sous le vent est soumise à une dépression de – 0,18 kN/m².

Vent Y (cas n°4) Les charges horizontales dues au vent dans la direction Y seront appliquées uniquement au bardage des pignons. Il sera admis que les supports de ce bardage ramènent la moitié de la charge au niveau du sol de fondation et l’autre moitié au niveau de la membrure supérieure des fermes. La hauteur des pignons est variable : il sera permis d’adopter une hauteur moyenne. La face au vent est soumise à une surpression de 0,47 kN/m² et la face sous le vent est soumise à une dépression de –0,18 kN/m².

Dépression due au vent X ou Y (cas n°5) La couverture est soumise à une dépression de –0,18 kN/m².

Combinaisons

Aux ELU (règles CM66), 5 combinaisons seront considérées. Le tableau ci-dessous fournit les coefficients. Combinaison 1. Poids 2. Neige 3. Vent X 4. Vent Y 5. Vent Z

G+N 1,33 1,5 G+Vx+Vz 1,33 1,5 1,5 G+Vy+Vz 1,33 1,5 1,5

G+N+Vx+Vz 1,33 0,75 1,5 1,5 G+N+Vy+Vz 1,33 0,75 1.5 1,5

Aux ELS (règles CM66), 3 combinaisons seront considérées. Le tableau ci-dessous fournit les coefficients. Combinaison 1. Poids 2. Neige 3. Vent X 4. Vent Y 5. Vent Z

G+N 1 1 G+Vx+Vz 1 1 1 G+Vy+Vz 1 1 1


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Travail demandé

Un compte rendu de TP au format pdf (à envoyer à [email protected]) est à rendre par binôme.

Délai d’1 semaine après la dernière séance (pénalité en cas de retard : 0,5/jour)

Ce compte rendu doit être à la fois clair, succinct et comporter en première partie tous les éléments qui permettent de répondre aux questions ci-dessous. Des explications mécaniques simples et précises sont attendues dans cette partie.

• Dimensionner la structure la plus légère possible selon les règles CM66 en utilisant les profilés préconisés (taille de profilé identique pour une même famille, exemple : tous les poteaux sont identiques).

• Préciser et expliquer les situations dimensionnantes pour chaque famille d’élément (quel cas de charge, quelle type de sollicitation…).

• Que se passerait-t-il si l’on supprimait les barres de contreventement ? Quelles solutions pourrait on envisager ? (ne pas effectuer un nouveau dimensionnement, répondre de manière qualitative)

• Aurait-on pu dimensionner cette structure avec un calcul 2D ? Justifier (avantages/inconvénients…).

En seconde partie, vous joindrez la note de calcul du bâtiment dimensionné, telle que vous la remettriez à votre client (l’édition est presque entièrement automatisée dans Robot). Celle-ci doit comprendre :

• Hypothèses

- situation - dimensions globales - type de pannes - pente du toit - liaisons des poteaux au sol - nature des cas de charges considérés

• Sections des barres (peut être réalisé, par exemple, à l’aide d’une vue 3D de la structure avec indications pour chaque famille)

• Calcul Robot

- liste + vue 3D des numéros des nœuds/barres avec dimensions, propriétés, liaisons… - liste des cas de charge et chargements avec leurs coefficients, valeurs, combinaisons… - listing de vérification des pièces ELU et ELS.

Appréciation : résultats, note de calcul complète, réflexion/esprit critique, organisation et clarté du compte rendu…

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