EP0355356A1 - Charpente métallique antisismique - Google Patents

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EP0355356A1
EP0355356A1 EP89112515A EP89112515A EP0355356A1 EP 0355356 A1 EP0355356 A1 EP 0355356A1 EP 89112515 A EP89112515 A EP 89112515A EP 89112515 A EP89112515 A EP 89112515A EP 0355356 A1 EP0355356 A1 EP 0355356A1
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André Plumier
Raymond Baus
René Pepin
Jean-Baptiste Schleich
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    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • E04H9/021—Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings
    • E04H9/0237—Structural braces with damping devices
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/18—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons
    • E04B1/24—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons the supporting parts consisting of metal
    • E04B1/2403—Connection details of the elongated load-supporting parts
    • E04B2001/2442—Connections with built-in weakness points
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    • E04B1/2403—Connection details of the elongated load-supporting parts
    • E04B2001/2448—Connections between open section profiles
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/18—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons
    • E04B1/24—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons the supporting parts consisting of metal
    • E04B2001/2496—Shear bracing therefor

Definitions

  • the invention relates to an earthquake-resistant metal frame consisting of columns and profiles, possibly provided with concrete.
  • the computational forces representing the action of an earthquake on a construction are in a given geographical area and for a given structure - proportional to the mass of the construction - function of the vibratory characteristics of the structure (natural periods) - dependent on the capacity of the structure to absorb the energy of the earthquake in stable mechanisms, of the plastic patella type, called "dissipative zones".
  • the Calculation Codes define a certain number of conditions to be respected in order to be entitled to the weakest calculation forces and, consequently, to the lightest structures. These conditions relate to - the topology of the structures, - the section slender sections and - the dimensions of the assemblies; these must be such that the dissipative zones are located outside the assemblies, because the latter are generally incapable of developing a stable and ductile plastic mechanism.
  • R fy represents the plastic moment M p of the bars.
  • R fy is the normal plastic force N p of the bars. This is a very restrictive condition, leading to costly assemblies, difficult if not impossible to achieve.
  • the object of the invention is to propose a metal frame having excellent behavior during an earthquake while being light, of simple and economical construction.
  • Figs. 1 and 2 there is a column 1 connected via an end plate 2 to a beam 3.
  • the connection end plate-beam is usually made by welding while the end plate is bolted to the column.
  • a Code requirement requires that the dissipative zones be located in the beams and not in the columns.
  • the section of the beam near the assembly 4 has been reduced over a length 1 equal to the height h of the beam. This length is in fact the minimum length necessary for the formation of a plastic ball joint.
  • the extent of the shrinkage 5 can be worth around 30% of the width b of the beams' wings.
  • the minimum distance from the start of the narrowing to the assembly 4 is of the order of a quarter of the width of the wings of the beam.
  • the reduction in effective cross-section of the beam can also take the form of a reduction in cross-section by drilling or by punching multiple holes 6, as shown in FIG. 3.
  • a part of a trellis structure is distinguished.
  • the stretched diagonals 42 are made with angles.
  • the upper frame 41 constituted by U-shaped profiles, is connected by means of a gusset 43 and angles 44 and 45 to the column 40.
  • the invention here takes on a particularly elegant appearance by providing a reduction in section 46 in the stretched diagonals 42 intended to constitute a dissipative zone which is reliable in traction.
  • a dissipative zone can be provided towards each end of the stretched diagonals. For reasons of economy of manufacture, they are only provided near one of the ends, in general that which is fixed to the upper chord.
  • the stretched diagonal 42 has a reduction in effective section due to a multitude of holes 47.
  • Fig. 6 shows a simpler trellis structure, in which the upper member 41 is directly fixed to the gusset 43. Similarly, the gusset 43 is directly welded to the column 40.
  • the reduction in effective section 48 here consists of an ellipsoidal cut in the edge of one of the two wings of each angle. One can also perform a less pronounced removal in the two wings of an angle.
  • the proposed solution leads on the one hand to a loss of useful cross section of the diagonals which can reach 50%, but the reduction factor on the design forces is 4 if the lattice structure can be considered dissipative.
  • the overall result therefore remains a reduction in the steel used for the diagonals by a factor of the order of 2.

Abstract

Charpente métallique antisismique constituée par des colonnes (1) et des poutres (3) prenant appui aux colonnes (1) présentant des zones dissipatives sous forme de rétrécissement (5) des poutres (3) localisée près d'au moins une de leurs extrémités à proximité de leur assemblage (4) aux colonnes.

Description

  • L'invention concerne une charpente métallique antisismique consti­tuée par des colonnes et des profilés, éventuellement munis de béton.
  • De nombreux constats de dommages subis par des immeubles lors de tremblements de terre attestent que les constructions métalliques ont en général un meilleur comportement que celles en pierre ou en bois. Une raison en est la bonne ductilité de l'acier et sa capacité d'absorber l'énergie, quel que soit le mode de sollicitation (compression, traction, cisaillement). Une autre raison réside dans les propriétés d'isotropie et d'homogénéité de ce matériau. Il faut évidemment veiller à ce que les qualités intrinsèques du matériau soient conservées lorsqu'on lui donne une forme de poutre, de poteau etc. et finalement d'assemblage.
  • En principe, les constructions devant résister à des séismes sont calculées élastiquement sous l'action de forces définies dans des Codes de calcul. Ces forces sont généralement plus petites que les forces réelles susceptibles de solliciter la construction lors d'un tremblement de terre, si cette construction travaillait uniquement dans le domaine élastique; on considère en effet que la structure peut dissiper une grande partie de l'énergie transmise au moyen de déformations plastiques. Il en découle la nécessité de concevoir la structure en choisissant les matériaux, les sections des barres et les assemblages de façon telle que l'énergie dissipée soit beaucoup plus importante que l'énergie élastique emmagasinée sous les mêmes forces.
  • Les forces de calcul représentant l'action d'un tremblement de terre sur une construction sont dans une zone géographique donnée et pour une structure donnée
    - proportionnelle à la masse de la construction
    - fonction des caractéristiques vibratoires de la structure (périodes propres)
    - dépendante de la capacité de la structure à absorber l'énergie du tremblement de terre dans des mécanismes stables, de type rotule plastique, appelés "zones dissipatives".
  • Il n'est pas facile de modifier beaucoup dans un sens favorable l'effet des deux premiers termes: la masse est directement liée à l'utilisation de la construction; les périodes fondamentales ne sont pas aisément modifiables parce que des conditions de limitation des déformations bloquent les périodes des structures réelles dans une bande relativement étroite. La dernière influence, liée à la capa­cité de la structure à dissiper de l'énergie, a par contre un inter­valle de variation très grand, puisqu'il amène à considérer des forces de calcul variables dans le rapport de 1 à 6, les forces de calcul les plus faibles correspondant évidemment aux structures les plus dissipatives.
  • Les Codes de calcul définissent un certain nombre de conditions à respecter pour avoir droit aux forces de calcul les plus faibles et, en conséquence, aux structures les plus légères. Ces conditions portent sur
    - la topologie des structures,
    - les élancements de parois des sections et
    - les dimensions des assemblages; celles-ci doivent être telles que les zones dissipatives soient situées en dehors des assemblages, parce que ces derniers sont généralement incapables de développer un mécanisme plastique stable et ductile.
  • On atteint ce dernier objectif en imposant une résistance Rd des assemblages supérieure à 120 % de la résistance plastique Rfy des barres assemblées, c.à d. Rd > 1,2 Rfy.
  • Dans les portiques Rfy représente le moment plastique Mp des barres. Dans les treillis, Rfy est l'effort normal plastique Np des barres. Il s'agit d'une condition très contraignante, conduisant à des assemblages coûteux, difficiles sinon impossibles à réaliser.
  • L'invention a pour but de proposer une charpente métallique ayant un excellent comportement lors d'un tremblement de terre tout en étant légère, de réalisation simple et économique.
  • Ce but est atteint par la charpente métallique selon l'invention, telle qu'elle est caractérisée dans les revendications indépen­dantes. Des variantes d'exécution préférentielles sont décrites dans les revendication dépendantes.
  • L'avantage découlant de l'invention consiste en ce est que la condi­tion
    Rd > 1,2 Rfy
    s'applique en considérant la valeur Rfy de la section réduite du profilé. Ceci ramène l'assemblage à des dimensions normales, supé­rieures mais comparables à celles obtenues dans un projet classique, tout en garantissant la présence d'une zone dissipative et en per­mettant de bénéficier pleinement de la réduction des forces de cal­cul correspondant à l'action sismique.
  • L'invention sera expliquée plus en détail au regard de dessins montrant plusieurs modes d'exécution possibles. Il a été représenté, en
    • Fig. 1 et 2 une vue de côté respectivement de dessus d'une structure en portique, en
    • Fig. 3 la vue de dessus d'une structure en portique et en
    • Fig. 4, 5 et 6 des vues de côté de trois variantes de structures en treillis.
  • Sur les Fig. 1 et 2 on distingue une colonne 1 reliée par l'intermé­diaire d'une plaque d'about 2 à une poutrelle 3. La liaison plaque d'about-poutrelle se fait usuellement par soudage tandis que la plaque d'about est boulonnée à la colonne.
  • Dans les structures en portique métallique ou mixte acier-béton, une prescription des Codes exige que les zones dissipatives soient situées dans les poutrelles et non dans les colonnes. La section de la poutrelle à proximité de l'assemblage 4, a été diminuée sur une longueur 1 égale à la hauteur h de la poutrelle. Cette longueur est en fait la longueur minimale nécessaire à la formation d'une rotule plastique. L'importance du rétrécissement 5 peut valoir quelque 30 % de la largeur b des ailes de la poutrelle. La distance minimale du début du rétrécissement à l'assemblage 4 est de l'ordre du quart de la largeur des ailes de la poutrelle.
  • Au lieu de prendre une allure trapézoïdale, la réduction de section effective de la poutrelle peut également prendre la forme d'une diminution de section par forage ou par poinçonnage de multiples trous 6, tel que représenté en Fig. 3.
  • En Fig. 4 on distingue une partie d'une structure en treillis. Les diagonales tendues 42 sont réalisées avec des cornières. La membrure supérieure 41, constituée par des profilés en U, est reliée par l'intermédiaire d'un gousset 43 et de cornières 44 et 45 à la colonne 40. Notons que dans de tels assemblages de profils en U ou de cornières sur une seule paroi, il est souvent impossible de réaliser une zone dissipative en conception classique. L'invention prend ici un aspect particulièrement élégant en prévoyant une réduc­tion de section 46 dans les diagonales tendues 42 destinée à consti­tuer une zone dissipative fiable en traction. En principe on peut prévoir une telle zone dissipative vers chaque extrémité des diago­nales tendues. Pour des raisons d'économie de fabrication, on ne les prévoit que près d'une des extrémités, en général celle qui est fixée à la membrure supérieure.
  • Dans la variante représentée en Fig. 5, la diagonale tendue 42 possède une réduction de section effective due à une multitude de forages 47.
  • En Fig. 6 a été représentée une structure en treillis plus simple, dans laquelle la membrure supérieure 41 est directement fixée au gousset 43. Pareillement, le gousset 43 est directement soudé sur la colonne 40. La réduction de section effective 48 consiste ici en une découpe ellipsoïdale dans le bord d'une des deux ailes de chaque cornière. On peut également effectuer un enlèvement moins prononcé dans les deux ailes d'une cornière.
  • La solution proposée entraîne d'un côté une perte de section utile des diagonales qui peut atteindre 50 %, mais le facteur de réduction sur les forces de calcul est de 4 si la structure en treillis peut être considérée comme dissipative. Le résultat global reste donc une réduction de l'acier mis en oeuvre pour les diagonales par un fac­teur de l'ordre de 2.

Claims (9)

1. Charpente métallique antisismique constituée par des colonnes et des poutres prenant appui aux colonnes, les colonnes et/ou les poutres étant éventuellement munies de béton, caractérisée en ce que les poutres présentent, au moins près de l'une de leurs extrémités, une zone dissipative localisée sous forme d'une réduction de section effective.
2. Charpente selon la revendication 1, caractérisée en ce que la réduction de section effective consiste en une découpe trapézoï­dale dans les bords des ailes, la grande base correspondant au côté de l'aile et la petite base possédant une longueur au moins égale à la hauteur de la poutre.
3. Charpente selon la revendication 2, caractérisée en ce que les côtés du trapèze forment avec sa grande base au plus un angle de 60° et en ce que sa hauteur est au plus égale à 30% de la largeur de l'aile de la poutre.
4. Charpente selon la revendication 1, caractérisée en ce que la réduction de section effective consiste en une découpe sensiblement ellipsoïdale dans les bords des ailes.
5. Charpente selon la revendication 1, caractérisée en ce que la réduction de section effective consiste en au moins un évidement s'étendant sur une distance au moins égale à la hauteur de la poutre.
6. Charpente selon la revendication 5, caractérisée en ce que les évidements sont des trous arrondis, à faible section et régulièrement distribués.
7. Charpente selon la revendication 5, caractérisée en ce que le/les évidements ont une section carrée ou rectangulaire.
8. Charpente selon une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les poutres ont une section en forme de H ou de I et font partie d'une structure en portique.
9. Charpente selon une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les poutres ont une section en forme de U ou de L et relient la membrure supérieure à la membrure inférieure d'une structure en treillis.
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