sensd.03 - Conception de poutres mixtes

SCIA Engineer fournit une solution complète pour la modélisation, l'analyse et la conception de planchers composites. Le logiciel automatise les deux tâches principales auxquelles les ingénieurs doivent s'atteler pour réaliser une conception sûre et exécutable :

• l'analyse structurale du plancher dans un environnement MEF 3D : comprenant les phases de construction, l'action composite partielle entre les poutres et la dalle, et une gestion spécifique des charges qui est typique de ce système structurel ;
• la conception basée sur la norme de poutres mixtes individuelles : contrôles des états limites ultimes et de service, y compris une conception automatique et une disposition des assemblages en cisaillement.

De plus, les entités composites sont intégrées dans des flux de travail de conception technique avancée : en modélisant les dalles ainsi que les poutres, il est désormais facile de représenter le comportement du diaphragme rigide et de capturer les non-linéarités. L'ingénieur peut utiliser des analyses de stabilité, modales, sismiques et de second ordre avec des imperfections initiales afin de comprendre le comportement du bâtiment dans son ensemble.

Par conséquent, les ingénieurs peuvent désormais utiliser la même plate-forme pour créer des modèles sophistiqués dans un environnement d'analyse d'IAO 3D, et pour exécuter des contrôles de conception et une optimisation conforme à la norme sur toutes ou certaines poutres mixtes dans ces modèles.

Avantages principaux de la solution de plancher composite de SCIA Engineer

• Une méthode à modèles multiples permet de contrôler à la fois les phases de construction et finales (composite) au même moment sans avoir à apporter des modifications au modèle.
• Ce modèle d'analyse échelonnée comprend également une déformation due au fluage et un assemblage en cisaillement partiel entre les poutres en acier et une dalle de béton. En conséquence, les résultats MEF représentent la déformation réelle du plancher.
• Les dalles peuvent être représentées par des diaphragmes de plancher rigides, semi-rigides ou flexibles, en fonction de leur rigidité et de vos besoins pour une tâche ou une vérification particulière.
• La répartition des charges surfaciques basée sur la méthode de l'aire tributaire rend les résultats plus faciles à comprendre et comparables aux calculs manuels.
• Une gestion automatisée du poids propre (c.-à-d. augmentation du poids du béton frais et des facteurs de sécurité plus élevés qui y sont liés pendant l'exécution) et des combinaisons de charges facilitent la prise en compte correcte des phases de construction lors de la conception.
• Une vérification d'élément complète est effectuée conformément à la norme EN 1994-1-1 ou AISC 360, y compris des contrôle ELU et ELS pour la construction et la phase finale.
• Les exigences constructives garantissent que les poutres peuvent être construites sur site et que les méthodes de conception restent applicables : la géométrie de la poutre en acier et la tôle profilée, l'épaisseur du surbéton, la position, le diamètre et l'espacement des connecteurs de cisaillement, et l'armature dans la dalle sont tous contrôlés.
• Les exigences d'espacement basées sur la norme et définies par l'utilisateur pour les connecteurs de cisaillement sont prises en compte. Ceci est important lorsque l'entrepreneur fixe des exigences particulières pour l'exécution sur site.
• La résistance au moment de flexion ELU de la phase finale est basée sur une répartition des contraintes plastiques dans la section composite, en tenant également compte de l'assemblage en cisaillement partiel.
• En cas d'ouvertures dans les âmes des poutres en acier, des vérifications supplémentaires sont effectuées : conformément à SCI P355 dans le contexte de la norme Eurocode 4 et conformément au AISC Design Guide #2 dans le contexte de la norme AISC 360.
• La conception automatique (AutoDesign) propose une section droite appropriée, une disposition des goujons de cisaillement et une cambrure (si nécessaire) pour couvrir tous les ELU, ELS et vérifications d'ouverture supplémentaires pour la construction et la phase finale, en tenant également compte des dispositions constructives.
• Les différents niveaux de sortie et de visualisation disponibles dans la scène 3D permettent à l'ingénieur de créer des rapports informatifs et évolutifs de la conception.
• Des contrôles rigoureux des vibrations du plancher sont disponibles pour les poutres mixtes conçues selon la norme AISC 360.
• Un contrôle simplifié de la fréquence propre estimée est effectué dans le cas des vérifications de la norme Eurocode 4. (Note to editor: sentence to be removed)
• Des contrôles de la résistance au feu conformément à la norme EN 1994-1-2 à la fois pour la phase de construction et la phase finale sont disponibles dans l'environnement Eurocode.

Étendue et limitations

• Les fonctionnalités de poutre mixte décrites ici appartiennent à la conception des bâtiments.
• Les poutres en acier doivent être prismatiques et doivent avoir une section en I symétrique : n'importe quel profil en I (par exemple, HE, UB, IPE ou soudé sur tôle) dans le cas de vérifications Eurocode 4 ou une forme en W dans le cas de vérifications selon la norme AISC 360.
• Les dalles mixtes doivent consister en une tôle profilée en acier et un surbéton. Les dalles pleines peuvent être conçues en utilisant des solutions de contournement avec une marge conservatrice, en se fondant sur une appréciation technique.
• La connexion entre les poutres en acier et la dalle de béton est réalisée par des goujons.
• Une seule ouverture d'âme par poutre peut être prise en compte dans les contrôles AISC 360.
• Les contrôles de résistance au feu selon l'Eurocode 4 ne prennent pas en compte les ouvertures d'âme.

Modélisation et analyse dans le contexte de la MEF 3D

Dans SCIA Engineer, le modèle d'analyse mixte analyse l’intégralité de la structure lors des phases de construction, d'entretien ou de maintenance. Les phases sont entièrement automatisées pour les combinaisons de charges, l'analyse, les résultats, etc., ce qui signifie que vous pouvez travailler comme d'habitude et dans un contexte linéaire. De ces différentes phases résultent des déformations et des effets de charge qui se superposent, tenant également ainsi compte de l'assemblage en cisaillement entre les poutres et la dalle et du fluage dans le béton.

Il n'y a aucune limitation sur le système structurel ou sur la disposition des poutres : les poutres mixtes peuvent être simplement supportées, continues ou en porte-à-faux, parallèles les unes aux autres ou avec une orientation arbitraire. Le modèle d'analyse mixte détecte quelles poutres sont primaires et lesquelles sont secondaires en fonction de l'orientation de la tôle d'acier. Ceci est pris en compte dans les contrôles et l'AutoDesign plus tard.

Le modèle d'analyse mixte dérive les propriétés orthotropes exactes de la tôle d'acier ondulée et du surbéton et les utilise dans les calculs MEF. La rigidité de la poutre mixte est accrue sur la base du degré d'assemblage en cisaillement entre les poutres and la dalle.

La largeur efficace des poutres mixtes est également calculée automatiquement. Les normes de conception EN 1994-1-1 et AISC 360-10 stipulent la largeur de la dalle de béton qui contribue à la résistance et à la rigidité d'une poutre mixte. Les éléments suivants sont détectés automatiquement :

• la portée
• les conditions annexes dans la portée considérée et les portées voisines
• la distance par rapport aux éléments voisins dans le modèle 3D (c'est-à-dire, les autres poutres, les parois et les ouvertures dans la dalle)
• la distance par rapport aux bords de dalle

Pour une estimation plus précise de la rigidité, par exemple les poutres cellulaires et les autres poutres avec des ouvertures, le modèle d'analyse mixte prend également en compte toutes les ouvertures dans les âmes des poutres en acier. Les ouvertures d'âme modélisées sur des éléments 1D sont ensuite prises en compte dans les modules de conception. Les poutres cellulaires peuvent également être conçues à l'aide de l'outil de conception Cellbeam du fabricant britannique Westok. Un lien bidirectionnel est disponible entre SCIA Engineer et Cellbeam pour l'exportation et l'importation de poutres en acier et mixtes.

Phases de construction

En interne, le logiciel gère trois sous-modèles MEF avec différentes rigidités des dalles mixtes : une pour la phase de construction et deux pour la phase mixte finale : avec une rigidité à long terme et une rigidité à court terme. Le modèle basé sur des phases inclut les effets rhéologiques (c'est-à-dire, le fluage) en différenciant les cas de charge à long terme des cas de charge à court terme lors de la phase finale (entretien).

L'ingénieur peut laisser le logiciel gérer entièrement les cas de charge ou les combinaisons entre les différentes phases, ou il peut les gérer manuellement. De plus, le logiciel prend automatiquement en compte le fait que le béton frais pèse plus pendant la phase de construction en raison de sa teneur en eau plus élevée. Le béton frais est également considéré comme une charge variable avec des coefficients de sécurité appropriés. Cela est dû aux méthodes de livraison et au fait que le béton liquide peut s'accumuler dans des zones spécifiques de la dalle et sur des poutres individuelles.

Compatibilité avec les normes de conception

Deux formulations mathématiques de la dalle mixte avec poutres en acier sont prises en charge. Celle par défaut (« effet mixte standard ») nous permet d'éviter les effets normaux pouvant résulter de l'excentricité entre la dalle et les poutres dans le modèle MEF. Cette idéalisation convient à la majorité des tâches de conception et est la seule compatible avec les méthodes de conception décrites dans les normes AISC 360 et Eurocode 4. Dans cette formulation, les moments de flexion dans les poutres sont augmentés et correspondent aux méthodes de descente de charge simplifiées habituellement utilisées dans les calculs manuels. 

La seconde formulation (« effet mixte avancé ») est basée sur les propriétés de section droite et l'alignement des poutres. De ce fait, les efforts normaux sont générés à la fois dans la poutre et dans le tablier en raison du placement excentrique de l'élément 1D. Cette dernière approche est utile pour une analyse plus avancée de l'ensemble de la structure composite.

Charge : diaphragmes et aires tributaires

Les diaphragmes rigides dans le plan combinés à la distribution de l'aire tributaire pour les charges de gravité offrent une bonne approximation du comportement réel des planchers composites. Ces deux fonctionnalités de modélisation vous permettent d'obtenir des résultats clairs et vérifiables tout en réduisant le temps de calcul.

Les diaphragmes rigides simplifient le modèle d'analyse sur la base d'hypothèses raisonnables vérifiées par des décennies d'expérience en ingénierie. Les charges latérales sont réparties sur les éléments porteurs verticaux en fonction de leur rigidité, tandis que les charges de gravité sont réparties sur les poutres du plancher en fonction des aires tributaires.

Les résultats obtenus à partir d'une telle formulation numérique de la dalle mixte sont directement comparables aux calculs manuels et les moments parasites dans diverses parties de la structure sont évités.

Les diaphragmes flexibles sont utiles pour la modélisation des toits de platelage en acier. De tels toits se trouvent souvent dans des bâtiments où les planchers sont composites, mais l'ajout d'une dalle de béton pour le toit n'est, dans la plupart des cas, pas justifié financièrement.

Les diaphragmes semi-rigides sont une bonne solution lorsque vous souhaitez utiliser la méthode de répartition des charges de l'aire tributaire pour les charges de gravité mais que vous souhaitez conserver la formulation MEF pour les charges latérales. Cela est souvent nécessaire dans le cas où des ouvertures dans la dalle compromettent la rigidité latérale du plancher dans certaines parties.

Bibliothèques

Les bibliothèques suivantes simplifient la définition d'un plancher mixte :

• une bibliothèque de tôles d'acier avec des platelages communs de fabricants européens, britanniques et nord-américains
• une bibliothèque de goujons de cisaillement

Lors de la modélisation, vous sélectionnez des produits dans la bibliothèque ou définissez le platelage ou les goujons manuellement. Vous pouvez étendre davantage la bibliothèque de platelages avec leurs propres tôles. Un filtrage basé sur divers critères (par exemple, le fabricant ou un caractère générique) est également disponible.

Conception basée sur la norme EN 1994-1-1

La conception des poutres mixtes est effectuée selon la norme EN 1994-1-1 et les parties pertinentes de l'EC2, de l'EC3 et d'une série de publications du Steel Construction Institute (SCI) sur ce sujet. Les éléments suivants sont inclus :

• Les états limite ultime et de service sont contrôlés aussi bien pour la phase de construction que pour la phase mixte finale.
• Les poutres principales et secondaires sont reconnues et traitées différemment par exemple lors de la détermination de la disposition des goujons.
• La contribution de la dalle de béton à la résistance des poutres en acier lors de la phase finale est prise en compte par une largeur efficace qui varie le long de la longueur des poutres.
• La classification de section est basée sur la position réelle de l'axe neutre dans la section droite composite.
• La conception des goujons de cisaillement est basée sur des considérations et des dispositions d'ELU ; vous pouvez également saisir manuellement l'espacement des goujons et le faire vérifier. Des contrôles supplémentaires de l'emplacement des goujons sont effectués lorsque des forces ponctuelles importantes sont présentes sur la poutre.
• La cambrure peut être définie en tant que valeur conçue ou saisie (en tant que valeur absolue ou en tant que valeur relative à la portée).
• Les paramètres des annexes nationales des normes Eurocode sont pris en charge.
• La résistance des goujons est modifiée conformément à la publication du SCI « NCCI PN001a-GB: Resistance of headed stud shear connectors in transverse sheeting » lorsque l'annexe nationale du Royaume-Uni est sélectionnée. Cela prend en compte la géométrie et le comportement des tôles d'acier plus modernes et est conforme à la fois à l'Eurocode 4 et aux pratiques d'ingénierie dans cette région.
• Vous pouvez définir plusieurs ouvertures dans l'âme de la poutre en acier ; dans ce cas, des contrôles supplémentaires sont effectués conformément à SCI P355 « Design of composite beams with large web openings ». Les ouvertures circulaires, rectangulaires et allongées sont supportées, renforcées ou non.
• Une conception plus économique peut être obtenue en réduisant l'action mixte en dessous des limites de la norme EN 1994-1-1 : vous pouvez concevoir des goujons conformément à SCI 405: Minimum degree of shear connection rules for UK construction to Eurocode 4.
• Les résultats du contrôle peuvent être tracés sur les poutres dans la scène 3D et répertoriés dans les Résultats en tableau. Les indicateurs d'erreur, d'avertissement et de remarque et les résumés de conception sont tracés directement sur les poutres dans la scène 3D.
• Il existe trois niveaux de détail dans le résultat, garantissant ainsi l'évolutivité du rapport final : vous sélectionnez la bonne variante de sortie en fonction des besoins particuliers : la sortie Brève résume la conception sur une seule ligne de tableau, la sortie Standard résume les principaux jalons de la conception, tandis que la sortie Détaillée fournit une description du calcul avec un rendu des formules, des étapes de calcul intermédiaires et des images faites à l'échelle.

Comme déjà indiqué ci-dessus, les poutres cellulaires peuvent également être conçues à l'aide de l'outil de conception Cellbeam du fabricant britannique Westok. Un lien bidirectionnel est disponible entre SCIA Engineer et Cellbeam pour l'exportation et l'importation de poutres en acier et mixtes.

Conception automatique

 

La routine AutoDesign effectue des cycles de routine à travers tous les contrôles ultimes et de service et les dispositions constructives lors des phases de construction et finales, et propose des sections droites, des dispositions de goujons et des valeurs de cambrure appropriées qui satisfont à toutes les exigences de la norme de conception, également dans le cas d'ouvertures d'âme sur les poutres. La solution résultante est économique, mais sûre ; les états limites et les dispositions sont remplis en une seule fois.

L'optimisation est contrôlée par vous comme suit :

• Vous sélectionnez une « stratégie d'optimisation : » pour réduire la taille des poutres en acier (donc en utilisant plus de goujons) ou pour réduire le nombre de goujons (résultant en des poutres en acier plus grandes), ou vous choisissez une approche équilibrée.
• Vous pouvez limiter la hauteur des poutres : cela s'avère utile si la hauteur de plancher est limitée.
• Vous pouvez définir une valeur maximale de cambrure qui peut être utilisée pour contrer les problèmes de service.
• Il est facile de diviser les éléments précédemment groupés en fonction de leurs niveaux d'utilisation (afin qu'ils puissent être optimisés séparément).
• SCIA Engineer détermine l'assemblage en cisaillement entre les poutres et la dalle sur la base d'une disposition idéale des goujons (telle qu'adoptée dans les contrôles et rapportée dans la sortie) et l'utilise dans une analyse ultérieure.
• Il est également possible d'unifier les groupes d'éléments qui convergent vers la même solution de conception.
• Vous pouvez spécifier que la routine doit passer à 2 goujons par ligne si un assemblage en cisaillement plus élevé est nécessaire.
• Pour les poutres principales, des dispositions de goujons uniformes et segmentés sont fournies.

La conception automatique (AutoDesign) est limitée aux sections en I laminées à chaud de la Bibliothèque de profils (les extensions définies par l'utilisateur sont prises en charge). Les sections soudées sur tôle sont uniquement contrôlées ; néanmoins, la conception des goujons et des cambrures est effectuée pour les sections soudées.

Conception au feu selon la norme EN 1994-1-2

Les vérifications de sécurité incendie sont effectuées conformément aux normes EN 1993-1-2 et EN 1994-1-2 pour la phase de construction et la phase finale.

• La durée du feu, la protection au feu et l'exposition au feu prévues sont définies par poutre mixte.
• L'évolution de la température de l'air dans le temps est calculée selon la norme ISO 834.
• L'évolution de la température dans les parties en acier et en béton est déterminée en divisant la poutre en acier en semelles et en une âme, et en divisant la dalle de béton dans les zones affectées par la chaleur en couches de 10 mm.
• La capacité de flexion et de cisaillement des poutres est déterminée en fonction de la température calculée et des propriétés de matériau dépendant de la chaleur. La rupture en cisaillement longitudinal et l'écrasement de la dalle de béton sont également réalisés lors de la phase finale.

Conception basée sur la norme AISC 360

La conception de poutres mixtes doit être conforme à la norme AISC 360-16 et inclure ce qui suit :

• La résistance et les états limite de service sont contrôlés aussi bien pour la phase de construction que pour la phase finale. Les méthodes LRFD (Load and Resistance Factor Design) et ASD (Allowable Strength Design) sont toutes deux prises en charge pour les vérifications de résistance.
• La contribution de la dalle de béton à la résistance des poutres en acier lors de la phase finale est prise en compte par une largeur efficace.
• La résistance à la flexion positive et négative est évaluée selon la norme AISC 360-16, chapitre I2.
• La résistance au cisaillement (y compris le flambement par cisaillement) est évaluée selon la norme AISC 360-16, chapitres I4 et G2.
• La résistance des connecteurs de cisaillement est évaluée selon la norme AISC 360-16, chapitres I3b et I8.
• Les dispositions constructives (liées à la dalle en béton, au tablier en acier et aux goujons) sont prises en compte conformément à la norme AISC 360-16, chapitre I.
• Les poutres principales et secondaires sont reconnues et traitées différemment par exemple lors de la détermination de la disposition des goujons.
• Les goujons de cisaillement sont conçus sur la base des considérations et des dispositions de résistance ou vous pouvez saisir manuellement l'espacement des goujons et le faire vérifier. Des contrôles supplémentaires de l'emplacement des goujons sont effectués lorsque des forces ponctuelles importantes sont présentes sur la poutre.
• La cambrure peut être définie en tant que valeur conçue ou saisie (en tant que valeur absolue ou en tant que valeur relative à la portée).
• Vous pouvez définir une ouverture dans l'âme de la poutre en acier ; dans ce cas, des contrôles supplémentaires sont effectués conformément au AISC Design Guide #2: Steel and Composite beams with web openings. Les ouvertures circulaires et rectangulaires sont prises en charge, renforcées ou non.
• Les résultats du contrôle peuvent être tracés sur les poutres dans la scène 3D et répertoriés dans les Résultats en tableau. Les indicateurs d'erreur, d'avertissement et de remarque et les résumés de conception sont tracés directement sur les poutres dans la scène 3D.
• Les vérifications effectuées sont décrites dans trois niveaux de sortie garantissant l'évolutivité du rapport final : vous sélectionnez la bonne sortie en fonction des besoins particuliers : la sortie Brève résume la conception sur une seule ligne de tableau, tandis que la sortie Détaillée fournit une description du calcul avec un rendu des formules, des étapes de calcul intermédiaires.

Conception automatique

La routine AutoDesign effectue des cycles de routine à travers tous les contrôles ultimes et de service et les dispositions constructives lors des phases de construction et finales, et propose des sections droites, des dispositions de goujons et des valeurs de cambrure appropriées qui satisfont à toutes les exigences de la norme de conception, également dans le cas d'ouvertures d'âme sur les poutres. La solution résultante est économique, mais sûre ; les états limites et les dispositions sont remplis en une seule fois.

L'optimisation est contrôlée comme suit :

• Vous sélectionnez une « stratégie d'optimisation : » pour réduire la taille des poutres en acier (donc en utilisant plus de goujons) ou pour réduire le nombre de goujons (résultant en des poutres en acier plus grandes), ou vous choisissez une approche équilibrée.
• Vous pouvez limiter la hauteur des poutres : cela s'avère utile si la hauteur de plancher est limitée.
• Vous pouvez définir une valeur maximale de cambrure qui peut être utilisée pour contrer les problèmes de service.
• Il est facile de diviser les éléments précédemment groupés en fonction de leurs niveaux d'utilisation (afin qu'ils puissent être optimisés séparément).
• Il est également possible d'unifier les groupes d'éléments qui convergent vers la même solution de conception.
• Vous pouvez spécifier que la routine doit passer à 2 goujons par ligne si un assemblage en cisaillement plus élevé est nécessaire.
• Pour les poutres principales, des dispositions de goujons uniformes et segmentés sont fournies.

La conception automatique (AutoDesign) est limitée aux formes en W à semelle large et laminées à chaud.

Contrôles de vibration de plancher

Les contrôles des vibrations du plancher peuvent être effectués sur des poutres mixtes séparément des vérifications décrites ci-dessus, en suivant les méthodes prescrites dans le 2016 AISC Design Guide 11: Floor Vibrations Due to Human Activity.

Cette fonctionnalité permet aux ingénieurs de gérer un état limite de service qui domine souvent la conception des planchers mixtes : les vibrations du plancher interfèrent souvent avec le confort humain lorsqu'elles ne sont pas prises en considération, en raison de la légèreté du système structurel du plancher mixte.

• Une vérification rapide et suffisamment précise des vibrations du plancher induites par la marche est proposée sur la base de méthodes de conception établies aux États-Unis.
• La réponse dynamique du plancher est prédite en supposant une action composite complète entre les poutres et la dalle et un module de Young accru de béton. L'interaction entre les poutres mixtes principales et secondaires est prise en compte.
• Les niveaux d'accélération sont comparés aux niveaux de tolérance pour le confort humain, en tenant compte de la fonction du plancher.
• Ces vérifications suivent une logique de contrôle, plutôt que de nécessiter une analyse modale : cela simplifie et accélère considérablement le contrôle des vibrations, donnant une bonne estimation de la réponse réelle du plancher.

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Modules requis:

• sen.01