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

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1 Éléments à parois élancées soumis à des efforts combinés de flexion et de compression à haute température 1 ère journée technique ISMANS-EFECTIS sur les méthodes avancées de la résistance au feu des structures et ouvrages

2 SOMMAIRE 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 2

3 COMPORTEMENT MÉCANIQUE DES ÉLÉMENTS MÉTALLIQUES AVEC PHÉNOMÈNES D INSTABILITÉ 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) 3

4 COMPORTEMENT MÉCANIQUE DES ÉLÉMENTS MÉTALLIQUES AVEC PHÉNOMÈNES D INSTABILITÉ 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

5 Cas des profilés métalliques soumis à la combinaison d une flexion et d une compression : CONTEXTE DE L ÉTUDE Souvent une combinaison de plusieurs phénomènes d instabilité Chacun étant plus ou moins prononcé Voilement de l âme sous l effet de la compression + Flambement selon l axe faible 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 5

6 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) Taux de chargement* 360x4+150x5 360x4+150x5 500x300x4+150x5 HE340AA 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 6

7 ESSAIS AU FEU SUR DES POTEAUX COMPRIMÉS ET FLÉCHIS Moyens mis en place pour les essais : Cadre Système d isolation et conditions aux limites 7

8 CALIBRATION DES MODÈLES NUMÉRIQUES PAR RAPPORT AUX ESSAIS AU FEU 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 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

9 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

10 CALIBRATION DES MODÈLES NUMÉRIQUES PAR RAPPORT AUX ESSAIS AU FEU Modes de ruine numériques comparés aux modes de ruine obtenus pendant les essais : Poteau n 1 Poteau n 2 Poteau n 3 Poteau n 4 10

11 CALIBRATION DES MODÈLES NUMÉRIQUES PAR RAPPORT AUX ESSAIS AU FEU Températures critiques obtenues numériquement comparées aux températures critiques obtenues lors des essais : Température critique ( C) N Section ANSYS (FEM) ESSAI 1 360x4+150x x4+150x HE340AA x300x4+150x 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 11

12 ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE 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 12

13 ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE 4 diagrammes de flexion : Uniforme Triangulaire Bitriangulaire 5 combinaisons de chargement : Compression pure 3 interactions compression/flexion Flexion pure Parabolique Total 5900 simulations 13

14 ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE Imperfections géométriques basées sur la combinaison de : Mode propre «global» Mode propre «local» Amplitude choisie conformément aux recommandations des normes (EN et EN :2008) 14

15 h ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE Imperfections matérielles : Implémentation des contraintes résiduelles Schéma de distribution différent selon le type de profilé : Soudé Laminé à chaud 0.15b T fy C C 0.25 fy 0.25b 0.125hw T fy 0.075hw 0.25 fy C T b Adaptation du maillage peut être nécessaire dans le cas d un profilé reconstitué soudé 15

16 ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE 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 * GMNIA : Geometrically and materially nonlinear analysis with imperfections included

17 ÉTUDE PARAMÉTRIQUE NUMÉRIQUE Illustration des calculs numériques : Flambement axe faible Voilements locaux Déversement 17

18 UTILISATION DES RÉSULTATS NUMÉRIQUES OBTENUS Équations tirées de celles de l EN pour le calcul de résistance d une poutre fléchie et comprimée : Comportement EN FIDESC4 Moyenne (norme/fem) 0,73 0,91 Pourcentage de cas nonsécuritaires 0 19,25 Ratio non-sécuritaire maximal N/A 1,14 Pourcentage de points nonéconomiques (>15%) 95,51 28,75 18

19 CONCLUSION 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 19

20 Arnaud SANZEL Merci de votre attention