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Ductilité des structures

Ductilité des structures

La capacité de se déformer sans se rompre permet aux structures en acier de rester sûres même en cas de séisme. Découvrons-en plus sur la ductilité des structures.

La ductilité des éléments structurels qui composent les ouvrages civils et industriels courants est un indicateur fondamental, bien qu’il ne s’agisse pas du seul, pour caractériser la résistance de ces structures aux effets d’un séisme. Lorsqu’on parle de toute la structure, cet indice est appelé ductilité des structures.

Dans les zones à risque sismique élevé, la ductilité des structures revêt une importance particulière car elle reflète la capacité de la structure à résister, au-delà des limites élastiques, à des tremblements de terre de forte intensité. Voyons comment la gestion de tous ces aspects, même avec l’aide de logiciels spécifiques d’analyse structurelle, peut aider les concepteurs à créer des structures sûres même en cas d’événements sismiques majeurs.

Qu’est-ce que la ductilité des structures

La ductilité des structures fait référence à la capacité d’une structure, ou d’un matériau en général, à se déformer sans se rompre ou s’effondrer de manière catastrophique sous l’action de charges ou de sollicitations. En d’autres termes, une structure ductile est capable de subir des déformations significatives sans perdre son intégrité structurelle ou sa capacité à supporter des charges.

La ductilité se manifeste à deux niveaux distincts : la ductilité locale des structures, qui concerne la capacité des éléments individuels d’une structure à se déformer, et la ductilité globale des structures, qui se réfère à la capacité globale de la structure à absorber des déformations plastiques.

Plus précisément, l’évaluation des paramètres de ductilité doit être faite en termes de déformation lorsqu’elle est liée au matériau, en termes de courbure (ou de rotation) lorsqu’elle est liée à la section (ou à l’élément), et en termes de déplacement lorsqu’elle est liée à toute la structure.

conception structurelle

Il est important de noter que des constructions ayant des niveaux élevés de ductilité des éléments individuels ne correspondent pas automatiquement à une capacité de dissipation élevée pour toute la structure. Cette capacité est influencée par divers facteurs, notamment les détails de construction, la position et le nombre de charnières plastiques et l’étendue de la déformation plastique requise à chaque charnière.

Enfin, la ductilité structurelle globale, représentée par le rapport entre le déplacement ultime autorisé et le déplacement à la limite élastique, est essentielle pour la capacité de dissipation globale du bâtiment. La conception structurelle correcte, orientée vers un mécanisme de plasticisation connu sous le nom de « Design Capacity« , vise à obtenir un haut niveau de ductilité globale, garantissant ainsi une plus grande sécurité et résistance aux constructions en cas de séismes.

Des matériaux tels que l’acier et les alliages d’aluminium sont souvent utilisés dans des structures nécessitant de la ductilité, telles que des bâtiments soumis à des charges sismiques. Les ingénieurs structures conçoivent les structures en tenant compte de la ductilité pour s’assurer qu’elles sont capables de supporter les sollicitations et de se comporter en toute sécurité même dans des situations extrêmes.

Ductilité et résistance des structures aux événements sismiques

La capacité d’une structure à résister à un tremblement de terre est étroitement liée à sa capacité à dissiper l’énergie sismique. Ce processus se produit uniquement lorsque la structure entre dans une phase post-élastique, générant des mécanismes permettant de dissiper l’énergie à travers des déformations plastiques permanente concentrées dans des zones critiques, connues sous le nom de charnières plastiques.

Le principe clé sous-jacent à la conception structurelle dans les zones sismiques est que, pour résister sans s’effondrer à des tremblements de terre de forte intensité, la structure doit considérer les ressources au-delà des limites élastiques. En revanche, si la structure est conçue pour résister au tremblement de terre en maintenant une réponse élastique, elle manquera de capacité de dissipation. Dans ce cas, l’énergie sismique absorbée pendant le mouvement du sol est accumulée sous forme de déformation élastique et restituée intégralement pendant la phase de décharge, sans laisser de déformations résiduelles, de fissures ou de phénomènes de dégradation.

La conception d’éléments structurels avec des rigidités flexo-torsionnelles élevées, nécessaires pour maintenir la structure en phase élastique, entraînerait des structures surdimensionnées et non économiques, en particulier pour les constructions ordinaires. Par conséquent, l’approche préférée consiste à réaliser des structures résistantes aux séismes capables d’avoir une capacité de déformation plastique suffisante. Cela est obtenu en exploitant la ductilité locale des sections, permettant à la structure d’absorber et de dissiper l’énergie sismique à travers des déformations plastiques concentrées dans des zones spécifiques critiques.

Pour concevoir une structure conformément aux réglementations en vigueur, effectuer des vérifications de ductilité, de résistance, de déformabilité, de hiérarchie des résistances des barres et des nœuds, etc., il est possible d’utiliser un logiciel de conception de connexion en acier.

Modèle 3D structure en acier

Modèle 3D structure en acier

L’utilisation de logiciels spécifiques vous aide à éviter de graves erreurs de conception et à répondre pleinement à toutes les vérifications réglementaires en vigueur. De plus, c’est un support précieux pour effectuer rapidement des analyses sur tous les aspects du projet et étudier en détail même des structures complexes avec des fermes, des contreventements, des nœuds, etc.

Dans cette vidéo, voyons ensemble les capacités et l’aide qu’un logiciel de calcul de structure métallique peut offrir.

Ductilité du béton et de l’acier

La ductilité du béton et de l’acier est un concept fondamental dans la conception structurelle, en particulier dans le domaine sismique. Analysons la ductilité des deux matériaux, en illustrant les graphiques tension/déformation associés.

Béton

Le diagramme tension-déformation du béton est généralement divisé en deux phases principales : élastique et plastique.

  • Phase élastique
    • commence par une phase élastique, où la contrainte (tension) est proportionnelle à la déformation
    • une fois la limite élastique atteinte, le béton commence à se comporter de manière plastique
  • Phase plastique
    • le béton continue de se déformer plastiquement avec l’augmentation de l’effort
    • on atteint le point de rupture, où le béton cède et la déformation continue sans augmentation de l’effort.

La ductilité du béton est influencée par le rapport entre la déformation ultime et la déformation à la limite élastique. Plus ce rapport est élevé, plus le béton est ductile.

Acier

Le comportement de l’acier est beaucoup plus ductile que celui du béton. Son graphique tension/déformation montre : 

  • Phase élastique : 
    • pendant cette phase, le matériau subit des déformations élastiques réversibles. Cela signifie que si la charge est retirée, le matériau revient à sa forme initiale sans déformations permanentes. La pente de la courbe dans cette phase représente le module de Young, qui mesure la rigidité du matériau.
    • une fois la limite élastique atteinte, l’acier entre en phase de flambement plastique. C’est le point où le matériau commence à se déformer plastiquement, c’est-à-dire que la déformation devient permanente même après le retrait de la charge. La tension à ce point est appelée « tension de flambement ».
  • Phase plastique
    • après le flambement, l’acier subit des déformations plastiques significatives sans augmentation significative de la tension. La pente de cette phase est appelée « module de fluage » et est associée à la déformation plastique
    • la déformation continue jusqu’à ce que l’on atteigne le point de rupture, mais contrairement au béton, l’acier offre une capacité significative de déformation plastique sans rupture immédiate. La tension maximale atteinte avant la rupture est appelée « tension de rupture ».
Graphique tension admissible acier

Graphique tension admissible acier

La ductilité de l’acier est indiquée par le rapport entre la déformation ultime et la déformation à la limite élastique. Grâce à ce comportement plastique, l’acier offre une capacité significative à dissiper l’énergie lors d’événements sismiques.

En résumé, la ductilité du béton et de l’acier est essentielle pour garantir que les structures puissent supporter des charges sismiques à travers des déformations plastiques sans céder de manière catastrophique. La conception sismique vise à exploiter la ductilité des deux matériaux pour maximiser la capacité à absorber et dissiper l’énergie sismique.

L’acier, donc, n’atteint pas immédiatement la rupture mais grâce à sa ductilité, il parvient à dissiper l’énergie sismique grâce à sa capacité à se déformer. Cependant, il existe quelques situations extrêmes qui amènent l’acier à adopter un comportement « fragile », voyons lesquelles.

Rupture fragile

La rupture fragile de l’acier est un type de rupture qui se produit sans déformation plastique significative préalable et le matériau passe de l’état élastique à l’état de rupture sans signes évidents d’avertissement. Ce comportement est en contraste avec la rupture ductile, dans laquelle le matériau subit des déformations plastiques significatives avant la rupture.

Voici les principales causes associées à la rupture fragile de l’acier : 

Sollicitations en tension élevées

La rupture fragile est souvent associée à des sollicitations en tension élevées, notamment en présence de fissures ou de défauts microstructuraux.

Basse température

La rupture fragile est plus probable à basse température. Ce phénomène est connu sous le nom de rupture fragile à basse température. Exposé à de basses températures, la résilience de l’acier peut diminuer, favorisant la rupture sans déformation plastique significative.

Présence de défauts structurels

La présence de défauts structurels tels que des inclusions, des fissures ou des impuretés peut favoriser la rupture fragile. Ces défauts peuvent servir de points d’amorçage pour la propagation des fractures.

Vitesse de charge élevée

Les charges appliquées rapidement ou de manière soudaine peuvent favoriser la rupture fragile. Cela est connu sous le nom de rupture fragile dynamique.

La compréhension de la rupture fragile est essentielle pour éviter les défaillances structurelles dans des situations où ce mode de rupture pourrait être problématique, par exemple, dans des conditions de basse température ou en présence de sollicitations en tension élevées et soudaines.

 

edilus
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