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Les profilés en acier formés à froid
Les profilés en acier formés à froid ont pris une place importante dans le secteur de la construction métallique, due aux avantages offerts par rapport aux autres matériaux de construction. L’un de ces principaux avantages réside dans la grande flexibilité de formes des sections transversales en raison du processus de fabrication qui permet de produire une grande variété de formes qu’on peut optimiser en fonction des critères structuraux, économiques ou esthétiques. L’acier formé à froid possède des propriétés uniques qui bénéficient à une grande variété d’applications dans l’industrie de la construction. Les progrès technologiques significatifs dans le traitement des matériaux ont conduit au développement de sections d’aciers complexes formées à froid présentant d’excellentes propriétés mécaniques. Un emploi intelligent de ces techniques conduit à une réduction importante des coûts. Les caractéristiques de l’acier formé à froid diffèrent de celles de l’acier laminé à chaud en raison du processus de fabrication. Les sections de ces profilés sont réalisées à partir de deux procédés différents : le pliage qui consiste à placer la tôle entre les mors de la plieuse et à la plier à l’endroit désiré, ensuite à faire glisser la tôle pour reprendre l’opération à un autre endroit jusqu’à obtention du profilé désiré. Ou bien par profilage qui consiste à transformer progressivement une tôle plane en bande profilée désirée par glissement de cette dernière à travers une série de paires de rouleaux qui la font avancer tout en la façonnant .
Les colonnes composées
La construction métallique légère avec l’acier formé à froid a des performances très différentes de celles de l’acier laminé à chaud. Les caractéristiques de l’acier formé à froid lui confèrent une haute résistance mais faible en rigidité et peut donc être facilement déformée.
L’industrie de la construction n’avait pas suffisamment confiance d’utiliser les éléments de l’acier formés à froid due au manque de connaissance approfondies des travaux de recherche dans le domaine, jusqu’aux années 1940 lorsque la compréhension a été plus développée.
Depuis lors, l’acier formé à froid est devenu populaire et très utilisé. Plus tard, les colonnes individuelles ne suffisaient plus pour répondre aux besoins de la construction. Afin de l’utiliser comme éléments porteurs, les concepteurs ont proposé de nombreuses méthodes pour renforcer chaque colonne. L’une des méthodes consiste à connecter deux colonnes pour former une colonne composée. La nécessité de transporter des charges plus importantes a incité le développement de sections des colonnes composées et c’est maintenant l’une des sections les plus largement utilisées.
Pour former une colonne composée ou colonne à étrésillon, deux ou plusieurs profilés formés à froid sont assemblés entre eux par des éléments de connexion (étrésillons ou éléments diagonaux) qui va permettre à la colonne formée de travailler comme une seule entité. Ces colonnes composées sont classées en deux types de sections transversales ouvertes ou fermées.
Comportement des colonnes métallique formé à froid
En abordant les structures à parois minces, on doit immédiatement considérer les phénomènes d’instabilité qui y sont inhérents. Les structures à parois minces peuvent être généralement classés en trois modes d’instabilité, appelés modes de base, sont distinguées : le local, le globale et le distorsionnel.
Instabilité locale
Le voilement local des parois d’une section est un phénomène d’instabilité locale est généralement caractérisée par le voilement des parois planes (éléments plaques) qui constituent la section. À la différence du flambement, cette instabilité n’affecte qu’une petite partie de l’élément. Le phénomène d’instabilité par voilement des parois se présente avant le début de la plastification.
Le phénomène est gouverné par le rapport largeur sur épaisseur de la paroi b/t, les imperfections initiales, les contraintes résiduelles d’élaboration ou de fabrication des profilés, la limite élastique et les conditions aux limites de la paroi.
Instabilité distorsionnelle
L’instabilité distorsionnelle induit des déplacements et des rotations au niveau des les lignes d’intersection des plaques. Elle se caractérise par la déformation d’une partie de la section accompagnée d’un déplacement en mode rigide de l’autre partie. La longueur d’onde de flambement par distorsion est généralement comprise entre celle de voilement local et le flambement global. Les règles de calcul existant ne traitent pas explicitement le mode distorsionnel. C’est un mode mal maitrisé et qui suscite plus d’attention.
Instabilité global
Le flambement global comprend les phénomènes de flambement d’Euler et flexionnel-torsionnel du poteau et latéral de la poutre; les sections dans le flambement global se déplacent comme des corps rigides sans aucune distorsion et l’onde de flambement global est la plus longue par rapport aux deux autres modes de flambement précédents . Ce type de mode est largement maîtrisé en théorie en considérant les équations de stabilité globale des colonnes
Conception des colonnes d’acier formées à froid
Méthodes de conception actuelles
Les méthodes de conception actuelles décrites dans les normes de conception pour l’acier formé à froid englobent la méthode de la largeur effective (EWM) et la méthode de résistance directe (DSM). Dans la méthode EWM, la procédure repose sur la détermination de la section effective qui, généralement passe par des calculs longs, fastidieux et complexes. De plus, dans cette méthode, l’interaction entre les éléments de la section transversale n’est pas prise en compte et certains modes d’instabilité comme celui distortionnel n’est pas pris en compte. La méthode DSM a été proposée et développée pour surmonter les limitations de la méthode EWM. Cette méthode, de nature semi empirique et simple d’utilisation, repose sur la détermination des caractéristiques de stabilité élastiques et prend en compte l’interaction entre les différents éléments de la section transversale des profilés.
Certains chercheurs ont essayé, dans leurs travaux, de comparer les méthodes EWM et la DSM pour des données précises, ils ont découvert que cette dernière prédit mieux la résistance et le comportement, en particulier pour les profilés de grandes longueurs.(B. Young et Rasmussen 1998) ont mené une série d’essais sur les profilés en C simplement appuyés. Le programme d’essai comprenait deux séries de profilés en C de largeurs d’âmes de 36 mm et 48 mm et d’une épaisseur de 1,5 mm. La longueur de ces colonnes variait de 280 mm à 3000 mm. A la base des résultats des tests de (B. Young et Rasmussen 1998), (B. Young et Yan 2002) ont présenté une conception et une étude numérique sur les profilés en C. Les résultats calculés à l’aide de l’EWM pour des épaisseurs de 6,0 mm ont été conservateurs pour les longues colonnes, mais non conservateurs pour les plus courts profilés. En outre, ils ont également noté, pour des épaisseurs de 1,5 mm, que l’EWM n’était pas conservateur pour les profilés longues de 1,5 mm d’épaisseur et les profilés courtes de 6 mm d’épaisseur.
Colonne à étrésillon
La colonne à étrésillons est similaire aux colonnes composées, mais sa rigidité latérale reste supérieure à celle des colonnes individuelles en raison de la plus grande section transversale. Les codes de conception actuels ne fournissent pas de méthodes complètes pour concevoir de telles colonnes avec une section transversale complexe. Pour cette raison, les concepteurs ont généralement recours à des hypothèses prudentes pour concevoir des colonnes à étrésillons. Il est courant de le concevoir en supposant que la colonne agit comme deux colonnes individuelles sans modifier le coefficient d’élancement. Cependant, cette approche peut ne pas refléter le comportement réel de la colonne à étrésillons.
Historiquement, (Engesser, 1891) a été le premier qui a effectué sa première étude théorique importante des colonnes à étrésillons. Il a pu proposer l’expression d’un élancement équivalent d’une colonne à étrésillons.
(Muller-Breslau, 1910) a montré que lorsque le nombre de panneaux est supérieur à 4 et que les étrésillons sont suffisamment rigides, alors la colonne se comporte comme une colonne pleine.
(Timoshenko, 1934), il a pris en considération les hypothèses d’Engesser, il a démontré que la déformée d’un élément de profilé entre deux étrésillons a un point d’inflexion au milieu d’un panneau. En tenant compte de l’effort tranchant, la flexion des étrésillons et des membrures, il a établi une expression de la charge critique de la colonne composée.
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Table des matières
Chapitre 1 : Introduction générale
1.1 Introduction
1.2 Objectifs de l’étude
1.3 Plan de la thèse
Chapitre 2 : Généralité sur les profilés en acier formés à froid
2.1 Les profilés en acier formés à froid
2.2 Les colonnes composées
2.3 Domaine d’application
2.4 Comportement des colonnes métallique formé à froid
Chapitre 3 : Revue de la littérature
3.1 Introduction
3.2 Conception des colonnes d’acier formées à froid
3.2.1 Méthodes de conception actuelles
3.2.2 Limites de la méthode de résistance directe (DSM)
3.3 Colonne composée
3.3.1 Elancement modifié
3.3.2 L’exigence d’assemblage d’éléments de connexion (étrésillons)
3.4 Colonne à étrésillon
3.5 Etude numérique
3.6 Conclusion
Chapitre 4 : Validation du model numérique
4.1 Introduction
4.2 Étapes de base de l’analyse par éléments finis (ANSYS)
4.3 L’analyse de flambement par ANSYS
4.3.1 Choix du type d’élément
4.3.2 Matériau
4.3.3 Conditions aux limites
4.3.4 Imperfections
4.4 Les règles de conception actuelles des colonnes composées
4.4.1 Règles de conception dans les spécifications AISI
4.4.2 Conception selon Eurocode 3
4.4.3 Conception selon Méthode de la résistante directe (DSM)
4.5 Les approches proposées
4.5.1 Approches (DSM 1) et (DSM 2)
4.5.2 Approches (DSM 3) et (DSM 4)
4.6 Validité du modèle numérique ANSYS
4.6.1 Comportement élastique linéaire
4.6.2 Comportement non linéaire
4.7 Conclusion
Chapitre 5 : Etude paramétrique
5.1 Introduction
5.2 Section en « C » ouverte
5.2.1 Effet du rapport B1/D
5.2.2 Effet du rapport d/D
Figure 5.18 Comparaison des résultats numériques avec le règlement EC3 de la série CD
5.2.3 Effet de d’angle du rebord (raidisseur de bord)
5.2.4 Effet du raidisseur intermédiaire
5.3 Section en « C » fermée
5.3.1 Effet du rapport B1/D
5.4 Colonne composée sans espacement
5.4.1 Section transversale de forme I
5.4.1 Section transversale de forme octagonale
5.4 Conclusion
Chapitre 6 : Conclusions et Recommandations
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