scia.d.steel - Conception acier

Le module Conception acier module offre un outil interactif destiné à la conception de sections et à la vérification de la stabilité des éléments en acier. De la classification des sections aux contrôles d'interaction pour les différents effets de charge sur un élément, SCIA Engineer vous aide à obtenir la conception optimale avec une saisie manuelle minimale.

La conception suit l'analyse MEF ; vous pouvez choisir de prendre en compte la déformation de 2e ordre et les imperfections au niveau de l'analyse, ou au niveau des contrôles. L'interaction des effets de charge et des différents types de flambement est correctement gérée dans les deux cas.

Les contrôles d'ELU sont exécutés conformément aux normes EC3, AISC 360, SIA 263 et NBR 8800. L'intelligence intégrée détermine quels articles de la norme doivent être appliqués et quelles équations de conception appropriées sont sélectionnées pour les contrôles de section et de stabilité en fonction de la classe de section, de l'élancement général, etc.

Des contrôles d'état limite de service sont disponibles pour les normes EC3, AISC 360 et SIA 263. Les contrôles d'ELS des flèches garantissent l'intégrité des murs de séparation, des façades et des autres éléments et finitions non porteurs, ainsi que le confort des personnes.

Avantages

• Intégrée de manière transparente dans un environnement graphique et une interface utilisateur d'IAO en 3D, la Conception acier permet aux utilisateurs d'évaluer visuellement le résultat de la conception : des proportions, des contraintes et de la déformation à l'utilisation.
• Une vaste gamme de sections symétriques et asymétriques est prise en charge, ainsi que les éléments de hauteur variable, les jarrets et les raidisseurs.
• Des tôles en acier, des appuis latéraux et des contreventements peuvent être utilisés pour stabiliser les éléments et améliorer les contrôles de stabilité latérale.
• Les longueurs de flambement peuvent être calculées ou saisies manuellement. La détermination automatique est basée sur la réponse de rigidité de l'ensemble de la structure dans le plan de flambement correspondant ; les formules de la littérature technique prennent également en compte la rigidité des éléments voisins connectés.
• La conception est parfaitement intégrée à une analyse structurelle avancée : 2e ordre, stabilité, GNIA, GMNIA. Par exemple, les imperfections peuvent être définies sur la base de formes obtenues à partir d'une analyse de stabilité.
• Pour faciliter la modélisation, des bibliothèques intégrées sont disponibles pour les matériaux, les profils acier et les diaphragmes de revêtement de toit et de sol provenant de différentes régions.
• Il est possible d'utiliser la réserve plastique de sections en I et RHS en utilisant les découvertes de la recherche SEMI-COMP+.
• Les routines d'optimisation rapide trouvent la section droite idéale pour la longueur de portée et les charges appliquées à portée de main.
   

 

Prise en charge de l'annexe nationale pour l'Eurocode 3

La prise en charge de l'annexe nationale est disponible dans une série de pays : Autriche, Belgique, République tchèque, Chypre, Danemark, Finlande, France, Italie, Allemagne, Grèce, Irlande, Luxembourg, Malaisie, Pays-Bas, Norvège, Pologne, Roumanie, Singapour, Slovaquie, Slovénie, Espagne, Suède, Royaume-Uni. Le choix des méthodes et coefficients spécifiques à l'annexe nationale peut être revu ou adapté.

Analyse de section droite

La classification des sections est l'étape nécessaire avant d'appliquer les règles de contrôle de la plupart des normes de conception acier. Le module Conception acier effectue une classification fiable d'une grande variété de formes de section droite.

• La Bibliothèque de profils contient une vaste gamme de formes que vous pouvez utiliser directement, ou adapter, stocker et réutiliser en fonction de vos besoins. Les produits laminés à chaud peuvent être filtrés par région (européenne, britannique, américaine, russe, brésilienne, chinoise, etc.). Différentes formes soudées en tôle sont disponibles, ainsi que des sections par paires, des produits fabriqués par Arcelor Mittal, des poutres cellulaires Westok et des poutrelles en acier de l'American Steel Joist Institute.
• Avec le module ‘Éditeur de sections générales’, vous pouvez créer n'importe quelle forme de section droite et l'utiliser dans l'analyse et la conception de structure ; le cas échéant, les sections droites peuvent également être importées à partir de fichiers dxf et dwg.
• SCIA Engineer effectue la classification sur n'importe quelle forme qui peut être évaluée de façon approximative par des lignes médianes selon l'épaisseur.
• Les sections laminées à chaud et soudées en tôle peuvent parfois également appartenir à la classe 4. Dans ce cas, SCIA Engineer dérive automatiquement les sections efficaces pour la compression et la flexion des axes forts et faibles.
   

Outil de classification de section

Calculer une classe de section différente par combinaison demande beaucoup de travail... si vous calculez à la main. Mais dans un calcul automatisé, une telle attention aux détails peut fournir un résultat nettement plus rentable.

L'outil intelligent de SCIA Engineer pour la classification des sections analyse toute section qui peut être évaluée de façon approximative par les lignes médianes et l'épaisseur, et choisit parmi les 4 catégories décrites dans la norme EN 1993-1-1 (et EN 1993-1-2 dans le cas de la conception au feu). La classification est effectuée à l'intérieur du module Conception acier et est exécutée à plusieurs endroits le long de la poutre, du poteau ou de la panne par combinaison de charges.
 
Pour les normes Eurocode 3, AISC 360 et SIA 263, l'outil peut également être utilisé en mode autonome (appelé à partir de la boîte de dialogue de modification de section droite). Le mode autonome est destiné aux tests, à la comparaison avec les calculs manuels ou à aider les étudiants à apprendre la conception technique. Mais la valeur réelle de l'outil réside dans son intégration au Contrôle selon les normes acier.

Pour les éléments avec jarret et variables, la variation de la géométrie de la section le long de la longueur de l'élément est également prise en compte lors de la classification.
 

 

Routines pour l'axe neutre plastique

Afin d'appliquer les formules de classification des sections de la norme, l'emplacement de l'axe neutre doit être déterminé. Dans le cas de l'interaction plastique de N + My + Mz, ce n'est pas une tâche simple.
L'Outil de classification propose à l'utilisateur trois méthodes numériques pour trouver l'axe neutre. Chaque méthode offre un niveau de précision différent. Vous pouvez ajuster l'équilibre entre la précision et la vitesse en fonction de la nature de la tâche à accomplir.

Explication des trois méthodes :

• Contraintes élastiques : La répartition des contraintes élastiques est utilisée pour calculer la répartition des contraintes plastiques en utilisant à forme fermée.
• Intersection avec la surface de plastification : Une surface plastique discrète ou un « nuage » de points est dérivée par section droite. Les efforts internes réels sont ensuite mis à l'échelle jusqu'à ce qu'ils se croisent avec cette surface de plastification. Le point de la surface de plastification discrète qui est le plus proche du point d'intersection est ensuite utilisé pour une détermination plus poussée de la répartition des contraintes plastiques.
• Approche itérative : Les efforts réels sont augmentés de manière itérative et chaque fois que le plan de déformation est calculé. Si aucun plan ne peut être déterminé, la surface de plastification a été dépassée. L'algorithme recule alors d'une étape et itère avec des incréments plus petits. Le plan de déformation de la dernière étape calculée est utilisé comme surface de plastification.

La méthode Intersection avec la surface de plastification offre un très bon équilibre entre haute précision et vitesse.
 

Section efficace

Les éléments en acier formés à froid à paroi mince ne sont pas les seuls à nécessiter l'utilisation de propriétés de section efficaces. D'autres poutres élancées, en particulier les poutres soudées sur tôle, entrent souvent dans la catégorie de classe 4. Ces poutres offrent des solutions d'ingénierie élégantes et une utilisation efficace des matériaux, si elles sont conçues intelligemment.

Dans les normes Eurocode 3, SIA 263, AISC 360, une section efficace est dérivée pour toute forme d'acier de classe 4 : laminée à chaud ou soudée, fermée ou ouverte, définie par la bibliothèque ou à paroi mince générale. Vous bénéficiez de la flexibilité de SCIA Engineer lors de la conception d'éléments en acier élancés : ceux-ci sont divisés en murs plats et en raidisseurs, dont la géométrie est ensuite réduite en fonction de leur élancement et des contraintes qui s'y trouvent.

Les sections efficaces obtenues peuvent être affichées graphiquement et toutes les itérations du calcul sont reportées dans des tableaux.

Prise en charge de SEMI-COMP+ dans l'Eurocode 3

Le projet de valorisation SEMI-COMP+ n° RFS2-CT-2010-00023 a fourni quelques publications sur la façon de réaliser une conception plus économique pour les sections droites qui entrent dans la classe 3. L'Eurocode 3 précise que ces sections « semi-plastiques » doivent être supposées défaillantes en cas de rupture purement élastique. C'est plutôt conservateur, et au lieu de cela, une partie de la réserve plastique peut être utilisée en fonction de la minceur de la section.

La réserve plastique basée sur l'élancement de la section réelle est maintenant implémentée dans SCIA Engineer pour les sections en I à double symétrie et RHS. Au lieu d'une discontinuité à la transition entre les classes 2 et 3 (un saut de la résistance de section plastique à la résistance de section élastique), une réduction progressive de la réserve plastique est appliquée jusqu'à ce que la limite de classe 4 soit atteinte. Notez que les normes Eurocode 9, SIA 263, AISC 360 et AISI S100 prescrivent déjà cette transition progressive.

Les limites de classification modifiées dans le rapport de recherche SEMI-COMP+ ont également été implémentées dans SCIA Engineer. Il est important que ces limites soient utilisées dans le cas de la conception semi-plastique de sections de classe 3, car ces limites correspondent au niveau de sécurité de l'EC3 lorsque les règles de conception SEMI-COMP + sont appliquées.

Contrôles de conception

La Conception acier effectue une analyse complète de toutes les combinaisons de charges définies ou générées pour trouver les valeurs extrêmes d'utilisation de la section et de la stabilité :

• Les mécanismes de décision intégrés déterminent les articles de norme à utiliser, en fonction de la géométrie, des efforts internes, de la présence de tôles et d'autres paramètres du modèle.
• Les contrôles de section suivants sont effectués : effort normal (traction ou compression), moments de flexion, efforts tranchants, torsion, déformation de section en I, sections en U et autres sections à paroi mince, contrôles combinés.
• Les contrôles de stabilité suivants sont effectués : flambement flexionnel (Euler) pour les éléments chargés axialement, flambement en torsion et en flexion-torsion pour les éléments chargés axialement, déversement pour les éléments chargés en flexion, flambement par cisaillement et effet des forces latérales pour les éléments chargés en cisaillement, flambement en flexion et compression axiale combinées, élancement critique (uniquement prescriptif).
• Des paramètres explicites sont disponibles pour le déversement : appuis déversement, longueur de flambement, position de la charge (haut, bas, centre, stabilisation, déstabilisation).
• 3 méthodes analytiques sont fournies pour le calcul de Mcr pour les contrôles déversement : ECCS Galea, Lopez et al et ENV 1993-1-1 Annexe F. La valeur peut également être déterminée numériquement par analyse de stabilité d'un modèle de coque, ou via des outils tiers.
• L'interaction des effets de charge est prise en compte lors des contrôles de section et de stabilité.
• Pour l'Eurocode 3, le flambement des ailes minces est contrôlé pour les poutres intégrées ou les poutres soudées sur 3 plaques.
• Pour les éléments de hauteur variable conçus selon la norme EC3 ou SIA 263, le flambement en compression est calculé sur la base des recommandations du ECCS Design Manual for EN 1993-1-1. Dans le cas de vérifications AISC 360, la méthode fournie dans la norme elle-même est utilisée.
   

Résistance de l'acier au feu

Le module Conception de résistance de l'acier au feu fournit des contrôles des contraintes et de la stabilité d'éléments en acier en situation de feu, à la fois dans le domaine de la résistance ou de la température-temps.

SCIA Engineer détermine l'évolution de la température des gaz et des matériaux dans le temps, en fonction des règles de la norme et de la courbe de feu sélectionnée, du type d'exposition des éléments et de la protection au feu, si définie. Les résistances modifiées à température élevée sont dérivées. Le contrôle au feu de l'acier suit également les recommandations publiées dans ECCS N°111.

Les contrôles de résistance au feu sont effectués dans le même environnement de travail que le Contrôle acier à température ambiante. Elles offrent les fonctionalitées et avantages suivants:

• Parfaitement intégrée à d'autres fonctionnalités d'analyse et de conception, la fonctionnalité de conception au feu complète l'ensemble essentiel d'outils disponibles dans SCIA Engineer pour les structures en acier.
• Les structures peuvent être conçues pour les situations de feu sur la base de calculs de premier et de second ordre.
• Des bibliothèques sont fournies pour les courbes de feu et les isolations thermiques ; celles-ci peuvent être étendues par les utilisateurs.
• Rapports clairs et complets avec différents niveaux de détail : d'un résumé bref par élément à un rapport de calcul détaillé avec des formules et des références aux articles de la norme.
• Des données personnalisées pour la résistance au feu peuvent être définies pour l'ensemble d'une structure ou par élément : la résistance au feu requise (R15, R30, R60), l'isolation thermique, etc.
• Des scénarios d'incendie détaillés peuvent être simulés, avec une exposition personnalisée (3 ou 4 côtés), des couches de protection contre le feu et la prise en compte de l'effet d'ombrage pour les éléments non protégés.
• D'autres coefficients de longueur de flambement flexionnel peuvent être spécifiés pour la situation de feu.
• Des coefficients de section à jour Am/V et [Am/V]b sont fournis pour chaque section droite prise en charge dans la bibliothèque.
• La classification des sections transversales est effectuée spécifiquement pour les situations d'incendie.
• Le programme parcourt les combinaisons/cas de charge définis pour dériver les niveaux d'utilisation et affiche les éléments critiques.
• Le module comprend une fonction d'optimisation des sections droites : pour les éléments protégés et non protégés, les sections idéales sont obtenues en fonction d'un niveau d'utilisation cible spécifié par l'utilisateur.
• Une procédure itérative peut être appliquée pour déterminer la température critique de l'acier dans le domaine de la température. Dans ce cas, SCIA Engineer garantit que la température critique correspond à une utilisation de 100 % ; l'approche simplifiée non itérative utilise le coefficient d'utilisation initialement calculé μ.
• Quelques fonctionnalités générales de SCIA Engineer facilitent la sélection d'éléments avec des isolations au feu ou d'autres paramètres similaires, des éléments avec des utilisations similaires, etc.
   

 

Les courbes de température suivantes sont incluses dans le logiciel :

• Courbe ISO 834
• Courbe de feu externe
• Courbe hydrocarbures
• Courbe de feu couvant

Les courbes de température définies par l'utilisateur peuvent être définies et utilisées également.
Vous pouvez spécifier une protection au feu. Les types intégrés d'isolant thermiques incluent les suivants :

• panneaux de fibres, panneaux en vermiculite/silicate/ciment, panneaux en gypse ;
• fibre minérale ;
• ciment de vermiculite, perlite, pulvérisations de gypse ;
• enduits intumescents.

Vous pouvez également sélectionner, pour l'ensemble de la structure ou par élément :

• l'exposition au feu par section (tous les côtés, trois côtés uniquement) ;
• les paramètres de flux thermique net, p.ex. : αc coefficient de transfert thermique par convection, émissivité, etc. ;
• des coefficients de longueur de flambement séparés pour la situation de feu ;
• les coefficients de sécurité pour la résistance au feu (les valeurs selon les normes Eurocode, SIA et NEN sont disponibles par défaut) ;
• les données générales liées au déversement, les diaphragmes, les raidisseurs pour le flambement par cisaillement.
   

 La vérification de la résistance au feu est prise en charge pour les sections transversales suivantes :

• Sections en I, L, U et T symétriques et asymétriques
• Sections creuses ou pleines rectangulaires et circulaires
• Cornières simples et doubles
• Sections composées en acier soudées
• Sections avec des jarrets, sections en I de hauteurs variables
• Sections formées à froid à partir d'un plat
• Sections numériques définies manuellement par leurs propriétés statiques
• Poutres intégrées des types IFBA, IFBB, SFB et THQ
   

Génération de rapports

Le module Conception acier bénéficie d'une interface de génération de rapports interactive, où les résultats de la conception, la résistance au feu inclue, sont facilement accessibles sous diverses formes :

• Des diagrammes d'utilisation à codage couleur dans la scène 3D permettent d'identifier rapidement les problèmes n'importe où dans la structure.
• La sortie de conception pour tous les éléments s'imprime facilement sous forme de tableau via le rapport Sommaire ou via Résultats en tableau.
• Un rapport Résumé par élément résume tous les paramètres importants de la conception et tous les contrôles sur une page unique.
• Un rapport Détaillé affiche tous les calculs sous forme de formules (ou de tableaux, si l'utilisateur préfère) avec des références aux articles utilisés dans la norme, permettant à l'utilisateur de suivre et de vérifier la logique et les étapes de la conception.
• Les rapports Résumé et Détaillé sont directement accessibles en double-cliquant sur les lignes dans les Résultats en tableau. De cette façon, l'utilisateur obtient rapidement la connexion entre les détails du calcul et les éléments visualisés à l'écran.
• Les erreurs, avertissements et notes peuvent être affichés de manière interactive en survolant des éléments spécifiques de la scène 3D.
• Un aperçu détaillé de la classification des sections et des dérivations efficaces des sections peut également être ajouté à la Note de Calcul.
• À tout moment, lors du traçage des résultats, les paramètres sélectionnés (par exemple, la combinaison de charge sélectionnée, les noms d'éléments, le type de calcul et les extrêmes) sont affichés dans la Légende de résultats dans le coin supérieur gauche.
• En dehors de l'utilisation globale, vous pouvez tracer des contrôles spécifiques sur les éléments au moyen des Composants de résultat.

L'avantage de ces fonctionnalités de génération de rapports est double : d'une part, le processus de conception est accéléré, et d'autre part, il est possible de créer une documentation de projet complète et transparente pour convaincre les tiers et les autorités réglementaires de la qualité et de la portée des vérifications de conception structurale effectuées.
 

Extensions

• En combinaison avec le moduleConception acier formé à froid, la Conception acier effectue des contrôles et l'AutoDesign d'éléments acier formés à froid conformément à la norme EN 1993-1-3.
• Le module pour les calculs non linéaires avancés inclut la possibilité d'effectuer une analyse non linéaire avec des rotules plastiques, c'est-à-dire, la non-linéarité matérielle sur les éléments de poutre 1D.
• Consultez le site SCIA Garage pour accéder à d'autres outils complémentaires pour la conception acier : par exemple, contrôles des plaques acier selon la norme EN 1993-1-6, contrôles de fatigue selon la norme EN 1993-1-9.