Les assemblages en acier : un exemple d’application pour le calcul et la vérification

Dans l’imaginaire collectif, une structure est presque toujours identifiée comme une structure en béton armé. Cependant, ces derniers temps, un nombre croissant de concepteurs se laisse fasciner par les structures métalliques. Lors de la conception de structures métalliques, il est nécessaire d’effectuer la vérification des éléments structurels, en particulier des nœuds en acier, qui restent aujourd’hui un problème difficile à résoudre à moins de décider d’utiliser un logiciel de vérification des nœuds en acier qui permette une modélisation libre du nœud et un calcul par éléments finis (FEM) pour conjuguer liberté de conception et rigueur de calcul.

Si vous devez également faire face à la tâche ardue de calculer les nœuds en acier, je vous recommande d’essayer immédiatement un logiciel de vérification des nœuds en acier pour découvrir un moyen simple et efficace d’effectuer le calcul et la vérification des nœuds en acier.

Ci-dessous, vous trouverez un aperçu des caractéristiques des nœuds en acier, leurs classifications et je vous fournis un exemple pratique sur la façon de calculer les nœuds en acier.

Qu’est-ce que les nœuds en acier ?

Un nœud en acier est l’intersection entre les axes des éléments structurels en acier. Les structures métalliques en acier naissent de l’assemblage de divers éléments structurels qui doivent être unis entre eux par des connexions indispensables à la réalisation de l’organisme bâtiment tridimensionnel. La structure est généralement constituée d’éléments monodimensionnels (poutres et colonnes) et d’éléments bidimensionnels (plaques) qui peuvent être semi-finis, perforés et assemblés dans un endroit différent de celui du montage.

Un exemple classique de nœud en acier est donné par l’intersection entre une colonne et une ou plusieurs poutres, par l’intersection de deux ou plusieurs poutres et, enfin, par la connexion des éléments en élévation avec la structure de fondation.

Exemple de nœud en acier

L’étude des connexions en acier revêt un rôle fondamental pour la stabilité globale de la structure. Les nœuds doivent être conçus et réalisés de manière cohérente avec les hypothèses utilisées dans la vérification de la stabilité globale, afin de pouvoir réaliser des contraintes en parfaite adhérence à ce qui a été supposé lors du calcul. À cette fin, il est nécessaire, de la part du concepteur structurel, de focaliser l’attention sur la conception et la vérification de ces nœuds.

Types de nœuds structurels : classification des connexions en acier

Les nœuds sont classés à la fois en fonction des moyens d’union utilisés et en fonction des éléments structurels connectés.

Classification par moyens d’union utilisés

Les moyens d’union utilisés au sein des nœuds en acier sont ainsi classés : 

• unions clouées ;
• unions soudées ;
• unions par friction avec des boulons à haute résistance.

Il est ensuite possible d’identifier une classification supplémentaire des connexions en fonction de la rigidité et de la résistance.

En fonction de la rigidité, les nœuds peuvent être classés en : 

• à charnière : ce type de nœud doit être conçu de manière à ce que des moments appréciables ne puissent se développer, ce qui pourrait avoir un effet négatif sur les éléments de la structure. Un nœud à charnière est capable de permettre la rotation relative des parties unies sans faire surgir des moments secondaires ;
• rigide : ce nœud doit être conçu de manière à ce que sa déformation n’ait pas d’influence appréciable sur la distribution des forces et des moments internes de la structure ni sur la déformation globale. Les déformations des connexions rigides doivent être telles qu’elles ne réduisent pas la résistance de la structure de plus de 5 %. Les connexions rigides doivent être capables de transmettre les forces et les moments calculés dans le projet ;
• semi-rigides : un nœud qui ne satisfait pas aux critères d’une connexion rigide ou d’une connexion à charnière doit être classé comme semi-rigide.

En fonction de la résistance, les nœuds peuvent être classés comme : 

• à charnière (articulations) : lorsque le nœud est capable de transmettre les forces de projet sans faire surgir des moments secondaires à l’intérieur de la structure. La capacité rotative doit être suffisante pour permettre le développement de la charnière plastique ;
• à rétablissement complet de résistance : lorsque le nœud est capable de transmettre les caractéristiques de sollicitation ultimes de l’élément le moins résistant qui converge dans le nœud ;
• à rétablissement partiel de la résistance : lorsque le nœud est capable de transmettre les caractéristiques de sollicitation de projet, mais pas celles ultimes de l’élément le moins résistant convergeant dans le nœud.

Classification en fonction des éléments structurels connectés

Dans l’optique d’une possible classification des nœuds qui se créent au sein d’une structure en acier, il est possible d’identifier : 

• connexion poutre-colonne : elles sont typiquement le siège de charnières plastiques dans un éventuel mécanisme d’effondrement de la structure. Parmi les deux éléments convergents dans le nœud, la colonne représente l’élément le plus faible en raison des phénomènes d’instabilité. Cette connexion a souvent la fonction de transmettre les moments fléchissants d’une poutre à celle adjacente, confiant à la colonne les actions de cisaillement et une fraction du moment fléchissant. Les joints poutre-colonne soumis à des valeurs élevées de moment fléchissant sont typiques des structures à ossature. Pour elles, les nœuds peuvent être : 
  • à rétablissement complet,
  • à rétablissement complet des seules capacités fléchissantes,
  • à rétablissement partiel avec une capacité de rotation suffisante.

Dans le cadre de la conception d’une structure à ossature résistante aux séismes, il faut obtenir un mécanisme ductile par l’activation des charnières plastiques localisées aux extrémités des poutres et au pied des colonnes du premier étage, évitant les mécanismes de plan souple. Dans ce cas, les règles de hiérarchie poutre-colonne peuvent être moins strictes que les vérifications à l’état limite de dommage, étant donné que la conception sismique des cadres est conditionnée par les limitations des déplacements latéraux, ainsi que par les limitations des effets instabilisant dus aux charges latérales. Il est donc nécessaire de réaliser des nœuds capables de garantir une grande ductilité et une rigidité fléchissante adéquate dans les cas où la limitation de la déformabilité latérale est particulièrement restrictive.

• connexion poutre-poutre : entre les deux éléments convergents dans le nœud, il est possible d’identifier, dans la majorité des cas, une poutre principale et une poutre secondaire. Entre les deux éléments convergents, un nœud à charnière est de préférence réalisé en recourant à des équerres angulaires et des boulons. La connexion entre la poutre secondaire et la poutre principale via le nœud à charnière est capable de garantir le transfert de l’effort de cisaillement de l’âme de la poutre secondaire à l’âme de la poutre principale. En fonction des éléments constituant la connexion, il est possible de réaliser des joints à rétablissement complet de la résistance tant fléchissant que de cisaillement, des joints à rétablissement complet de la seule résistance fléchissant (avec les précautions nécessaires) et des joints à rétablissement partiel de la résistance fléchissant permettant des rotations.
  

  Exemple de nœud poutre colonne

• connexions de contreventement: certains joints poutre-colonne sont rendus plus complexes par la présence des diagonales de contreventement. Leur forme et leur typologie varient en fonction des profils utilisés. Il est possible d’identifier deux types de contreventements : 
  • Contreventements concentriques : en fonction de l’orientation de la diagonale et du type de connexion introduite, la déformée post-critique de la diagonale peut être caractérisée par la formation de charnières plastiques près des zones de flexion au centre de la diagonale ou même aux deux extrémités. Les connexions aux extrémités des contreventements doivent être conçues pour favoriser l’instabilité en compression, qui représente un mode de défaillance typique. L’énergie sismique à l’intérieur des structures sismorésistantes contreventées est dissipée par la plastification des diagonales soumises à traction. Les principales typologies de connexion pour les structures à contreventements concentriques sont : 
    • Connexion diagonale-poutre-colonne ;
    • Connexion diagonales-poutres (contreventements en V inversé) ;
    • Connexion diagonale-diagonale (contreventements en X).
  • Contreventements excentriques : la dissipation de l’énergie sismique se fait par la plastification du lien, tandis que les diagonales du contrevent doivent être conçues pour rester stables en champ élastique. Contrairement aux contreventements concentriques, les connexions des diagonales doivent être conçues pour contraindre les déformations de flexion tant dans le plan qu’en dehors du plan. Les principales typologies de connexion pour les structures à contreventements excentriques sont : 
    • Connexion diagonale-poutre ;
    • Connexion lien-colonne ;
• connexions colonne-fondation : le joint de base des colonnes peut être soumis à compression, à flexion et à une action de cisaillement simultanée. Les sollicitations à prendre en compte dans la conception du nœud sont celles résultant du schéma de calcul adopté. Il est possible d’identifier une série de problèmes dans la modélisation du joint de base tels que la vérification des dimensions géométriques en plan de la plaque de base, la position et le diamètre des tirants, le dimensionnement et l’épaisseur de la plaque de base et des éventuelles nervures, la transmission des forces de cisaillement.

Classification des connexions en acier en fonction des forces transmises

En fonction des sollicitations transmises par le nœud, il est possible d’identifier : 

• connexion à cisaillement : c’est un joint qui permet la transmission des forces de cisaillement entre deux éléments par le biais d’une connexion boulonnée. En général, elles sont utilisées pour relier des poutres avec d’autres poutres ou avec des colonnes (sollicitations dans le nœud : cisaillement et traction) ;
• connexion à moment : c’est un joint capable de transmettre les sollicitations dues au moment fléchissant typiquement entre une poutre et un pilier. Ce type de connexion représente une rigidité élevée tant en termes de translation que de rotation ;
• connexion à traction : c’est un joint qui permet la transmission des efforts de traction à la structure. Un exemple typique peut être donné par les diagonales des éléments de contreventement.

Quel type de vérification doit-on effectuer sur les éléments du nœud en acier

Les vérifications des éléments qui constituent le nœud en acier à réaliser sont : 

• vérification à cisaillement du boulon ;
• vérification à traction du boulon ;
• vérification à refoulement de la plaque de jonction et de l’élément connecté ;
• vérification à poinçonnement de la plaque de jonction et de l’élément connecté ;
• vérification à cisaillement et traction.

Ces vérifications peuvent être effectuées en utilisant deux approches possibles, l’une utilisant les formulations rapportées dans la littérature et l’autre s’appuyant sur l’analyse FEM de la connexion.

Il convient de souligner que l’approche simplifiée proposée dans la littérature n’est applicable que dans des conditions prédéfinies et très contraignantes du point de vue géométrique/projet et entraîne également un degré d’approximation des résultats non négligeable.

Recourir à une modélisation par éléments finis d’une connexion en acier, en plus de laisser la plus grande liberté géométrique des éléments qui convergent à l’intérieur du nœud (d’ailleurs avec une analyse FEM «si tu peux le dessiner, tu peux le calculer !»), permet une optimisation des matériaux impliqués avec une économie considérable également en termes économiques (plaques de dimensions et d’épaisseurs moindres, un nombre réduit de boulons impliqués dans la connexion) et surtout une économie en termes d’heures de travail de la part de l’ingénieur structure pour concevoir, calculer et vérifier les connexions.

Exemple applicatif : calcul et vérification de nœuds en acier

Dans cette section, un cas d’étude est illustré, prévoyant le calcul et la vérification d’un nœud en acier d’une structure de nouvelle construction. Pour réaliser la modélisation de la structure en acier, le logiciel pour le calcul structurel a été utilisé, tandis que pour la modélisation par éléments finis (FEM) du nœud en acier, on a utilisé le logiciel pour la vérification des nœuds en acier NeXus.

Le bâtiment se compose de deux étages hors sol avec une hauteur d’étage de 3,00 m. Les planchers sont constitués de dalles en tôle profilée avec un coulage de béton d’une hauteur totale de 12 cm. La structure examinée peut être inscrite dans un carré de côté 9,30 m.
Les éléments porteurs verticaux sont réalisés avec des profilés HEA 260, les poutres périmétriques sont IPE 220, des caissons avec des angles arrondis de section 90x90x4.0 et des contreventements verticaux avec des diagonales de section UPN 120 et des profilés en L avec des côtés égaux de section L80x80x10.

Modèle de la structure en acier réalisé avec le logiciel de calcul FEM EdiLus

Après avoir effectué le calcul de la structure, nous passons à la conception et à la vérification des nœuds en acier. Procédons au calcul d’une connexion poutre-pilier-contrevent qui, étant un nœud ne relevant pas des conditions simplifiées mentionnées dans la littérature, nécessite une analyse approfondie pour sa vérification. Pour cette raison, nous utiliserons le logiciel de calcul par éléments finis (FEM) des connexions en acier NeXus en tirant parti de l’intégration dynamique présente dans EdiLus.

Tout d’abord, sélectionnons dans EdiLus le nœud à analyser, puis choisissons d’intégrer avec NeXus. Cette fonctionnalité (bientôt disponible) nous permet d’importer dans NeXus la géométrie des barres convergentes au sein du nœud ainsi que les sollicitations agissantes.

Importation de la géométrie dans NeXus

À l’intérieur de NeXus, il sera possible d’éditer la connexion en acier en effectuant les découpes entre les éléments convergents, d’insérer des plaques, des boulons et des soudures. L’input 3D révolutionnaire permet de concevoir tout type de connexion en acier de manière simple et rapide.

Insertion des éléments qui constituent le nœud

1. Insertion des plans de coupe
2. Insertion des plaques
3. Insertion des boulons
4. Insertion des soudures

À la fin des opérations d’insertion des éléments, il est possible de visualiser le résultat final.

Modèle du nœud terminé

Une fois l’insertion des objets qui définissent le nœud terminée, il est possible d’exécuter le calcul du modèle de la connexion en acier et d’observer les résultats du calcul.

Résultats du calcul des nœuds acier

1. Modèle structurel
2. Résultats du calcul : déplacements
3. Résultats du calcul : tensions
4. Résultats du calcul : déformations

D’après les résultats du calcul, il ressort que toutes les vérifications sont satisfaites, respectant pleinement les indications normatives (D.M. 2018 et Circulaire 2019).

À calcul effectué, seront générés les détails exécutifs, les tableaux de calcul et les rapports. Il sera également possible de revenir à l’intérieur d’EdiLus en intégrant dans le modèle général de la structure les détails constructifs et les tableaux qui seront automatiquement intégrés dans les documents de projet.

En tirant parti de l’intégration dynamique entre EdiLus et NeXus, il est possible de produire tous les documents nécessaires au dépôt auprès des bureaux compétents des résultats du calcul et de leur validité.

L’utilisation combinée d’EdiLus et de NeXus d’Acca software garantit au concepteur structurel la conception de toute structure en acier et de ses connexions, des plus simples aux plus complexes ! 

Nouveautés du logiciel

La nouvelle version de NeXus apporte avec elle une série de nouveautés importantes qui rendront le logiciel encore plus puissant et efficace.

Les principales fonctionnalités ajoutées incluent : 

• analyse non linéaire : grâce au modèle 3D de l’union, il est désormais possible d’effectuer rapidement le calcul par éléments finis et d’analyser le comportement élasto-plastique des éléments à travers le calcul non linéaire ;
• choix des Eurocodes comme norme de calcul : il est maintenant possible de sélectionner les Eurocodes comme norme de calcul, en appliquant les indications présentes dans les annexes de différents pays, dont l’Europe, l’Angleterre, la France, l’Allemagne, le Portugal, l’Espagne, Singapour, la Croatie et la Slovénie ;
• calcul parallèle multicœur pour l’analyse non linéaire : la nouvelle spécification permet de tirer parti des capacités multicœurs des processeurs modernes, permettant un calcul simultané sur plusieurs processus. Cela réduit significativement les temps de calcul, en particulier lors de l’analyse non linéaire.

Si vous souhaitez comprendre pleinement comment exploiter ces potentialités pour la conception de connexions en acier, je vous recommande de demander immédiatement une démo du logiciel pour la vérification des connexions en acier !