LU87320A1 - Charpente metallique antisismique - Google Patents

Description

Charpente métallique antisismique.

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 êlastiquement 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 a 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 R^ des assemblages supérieure à 120 % de la résistance plastique Rfy. des barres assemblées, c.à d.

Dans les portiques R^y représente le moment plastique Mp des barres. Dans les treillis, R^y est l'effort normal plastique Np des barres. Il s’agit d'une condition très contraignante, conduisant à des assemblages coûteux, difficiles sinon impossibles a 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

s'applique en considérant la valeur Rfy de la section réduite du profilé. Ceci ramène l'assemblage à des dimensions normales, supérieures mais comparables a 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 a 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 pne longueur 1 égale a 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 a 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 4-3 et de cornières 44 et 45 a 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 a 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 a la hauteur de la poutre.

6. Charpente selon la revendication 5, caractérisée en ce que les évidements sont des trous arrondis, a 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.