Conception parasismique ductile des structures en acier et mixtes acier-béton : prenant en compte l'influence de la variabilité des caractéristiques mécaniques des matériaux

Ductile seismic design of steel and steel-concrete composite structures taking into account the effect of the variability of mechanical properties of materials.

• Auteur / Autrice : Srour Nofal
• Direction : Mohammed Hjiaj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil. Mécanique des structures
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Rennes, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technique de la construction

Eurocodes (normes)

Normes

Construction métallique

Construction en acier soudé

Construction mixte

Résumé

Dans les zones de forte séismicité, il convient que les ossatures en portiques soient capables d’offrir une capacité suffisante de dissipation de l’énergie sismique au moyen de déformations cycliques plastiques dans les zones dissipatives. Afin de permettre la formation du plus grand nombre possible de rotules plastiques et de dissiper l'énergie sismique des ossatures en portiques de façon optimale, ces zones devraient être principalement situées dans des rotules plastiques formées dans les poutres, dans les assemblages poteau-poutre et dans les poteaux situés à la base de la structure. Cette dissipation est maximale si les articulations plastiques apparaissent dans les poutres plutôt que dans les assemblages poteau-poutre, mais cela implique que les parties non-dissipatives possèdent une sur-résistance suffisante. Il est donc clair que cette méthode de conception dépend fortement des caractéristiques mécaniques réelles des matériaux : il faut s'assurer que les zones dissipatives se forment réellement là où elles sont prévues par le dimensionnement, en tenant compte de la distribution statistique des caractéristiques mécaniques dans la structure. La possibilité que la limite d’élasticité actuelle de l'acier soit plus élevée que la limite d'élasticité nominale dans les zones dissipatives doit être prise en compte par un facteur de sur-résistance du matériau pour le dimensionnement des zones non-dissipatives. En dépit du fait que ce point soit essentiel dans la conception parasismique, la valeur à donner à ce facteur de sur-résistance varie dans les dispositions des différentes normes. Par ailleurs, ces normes ne fournissent pas de limitations adéquates sur les caractéristiques mécaniques des produits en acier, bien qu’elles soient directement liées au facteur de sur-résistance choisi. Pour ces raisons, le projet européen de recherche RFCS OPUS vise à définir des règles harmonisées et entre les normes de production et les règlements structurels pour les structures en acier et mixtes acier-béton situés dans les zones à haut risque sismique. Cette thèse présente l'étude de l'effet des propriétés des matériaux sur le dimensionnement des ossatures de type portiques mixtes réguliers. A partir de la collecte des caractéristiques mécaniques de profilés et de barres d'armature de différents grades produits dans différentes usines sidérurgiques européennes, une évaluation statistique de leurs paramètres mécaniques a été effectuée. Ensuite, plusieurs portiques mixtes ont été conçus selon les recommandations de l'Eurocode EN 1998. Enfin, l'étude des effets de la distribution statistique des caractéristiques mécaniques des matériaux sur la résistance parasismique a été effectuée. Ces analyses ont montré que le comportement global de ce type de bâtiments n'est pas été affecté par la variation des caractéristiques mécaniques. Aucun mécanisme d'étage, ni d'instabilité globale n’ont été observés. Concernant les vérifications locales, l'étude s’est concentrée sur deux points qui ont été considérés comme les plus critiques. Premièrement, l'effet de la distribution statistique des caractéristiques mécaniques sur la capacité de rotation des poutres a été étudié, parce que leur ductilité définit le niveau de ruine. Pour ce point, la sur-résistance du matériau a un effet positif mais très faible. Ensuite, la sur-résistance nécessite pour les assemblages poteau-poutre a été étudiée, en calculant les moments maximaux apparaissant dans les rotules plastiques. Il a été démontré que les facteurs de sur-résistance définis dans l’Eurocode EN 1998 sont valides pour les nuances d'acier supérieur, mais pas pour les plus faibles. Cette étude locale s’est basée sur un modèle couplant une approche multi-fibre pour déterminer la partie ascendante de la courbe moment-rotation des poutres mixtes dans les zones positives et négatives, et le modèle de Gioncu pour prédire la branche décroissante des courbes M- due au voilement plastique dans les zones négatives.

In high seismicity areas, moment resisting frames should be able to dissipate the earthquake input energy with high efficiency through inelastic deformations at the dissipative zones. In order to allow the formation of the greatest number of plastic hinges and to dissipate as much as possible seismic energy of a moment-resisting frame, these zones should be mainly located in plastic hinges in the beams or in the beam-column joints, but not in the columns except at the base of the frame. This dissipation is maximum if plastic hinges lie in beams rather than in beam-column joints, but this implies that the non-dissipative parts must have sufficient overstrength. It is clear that this design method strongly depends on actual mechanical properties of materials and that it should be ensured that issipative zones really form where they are intended to in the design, taking into account the statistical distribution of the mechanical properties in the structure. The possibility that the actual yield strength of steel is higher than the nominal yield strength in dissipative zones should be taken into account by a material overstrength factor for the design of non-dissipative zones. In spite of the fact that this point is essential in seismic design, the value to be given to this overstrength factor varies in the provisions of different standards. Moreover, these standards don’t provide adequate limitations on mechanical properties for steel products even if it should be directly related to the overstrength factor chosen. For these reasons, the European research project RFCS OPUS aimed to define suitable harmonised rules and recommendations for production standards and structural regulations for steel and steel-concrete composite structures located at earthquake-prone areas. The work presented in this thesis is related to the study of the effect of the material properties on the design of steel-concrete composite regular frames. Starting from collecting the mechanical properties of several different grades of steel profiles and reinforcing steel bars that are produced by several European steel plants, a statistical evaluation of their main parameters has been carried out. In addition, several steel and steel-concrete composite structures have been designed according to the Eurocode EN 1998 recommendations. Then, the analysis and the study of the effects of the statistical distribution of mechanical material properties on seismic design have been made. These analyses showed that the global behaviour of this kind of buildings wasn’t affected by the variation of the mechanical properties. Neither storey mechanism nor global instability was observed. Concerning local verifications, the study has been focused on two points that were considered as the most critical ones. First, the effect of the statistical distribution of the mechanical properties on the rotation capacity of beams has been investigated, as their ductility defines the collapse level. For this point, the material overstrength has been found to have a positive but very weak effect. Then, the study has been focused on the overstrength demands of the beam-column joints by computing the maximum moments appearing in plastic hinges. It has been shown that overstrength factors defined in the Eurocode EN 1998 were consistent for higher steel grades but not for the lower ones. This local study has based on a model coupling a multi-fiber approach to determine the ascending part of the moment rotation curves of composite beams in sagging and hogging zones, and Gioncu’s model that predicts the decreasing branch of the M- curves in hogging zones due to plastic buckling.