Comportement mécanique des poutres cellulaires à ouvertures sinusoïdales : développement d'un modèle anlytique adapté

Mechanical behaviour of cellular beams with sinusoidal openings : development of an adapted anlytic model

• Auteur / Autrice : Sébastien Durif
• Direction : Abdelhamid Bouchaïr
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 08/11/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Ferrier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelouahab Khelil, Ulrike Kuhlmann, Dinar Camotim, Olivier Vassart, Jan Bujnak, Alain Bureau, Jean-Pierre Muzeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelouahab Khelil, Ulrike Kuhlmann, Dinar Camotim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flexion (mécanique)

Propriétés mécaniques

Poutres

Mots clés libres

Poutres cellulaires

Ouvertures sinusoïdales

Essais expérimentaux

Études numériques

Flexion Vierendeel

Voilement local

Modèle analytique

Cellular beams

Sinusoidal openings

Experimental tests

Numerical studies

Vierendeel mechanism

Local buckling

Analytical model

Résumé

L’objectif de ce travail de thèse est de développer une approche analytique permettant de définir la charge ultime d’une poutre cellulaire à ouvertures sinusoïdales. En effet, l’évolution des techniques de production a permis le développement d’une nouvelle forme de poutre cellulaire munie d’ouvertures sinusoïdales : la poutre AngelinaTM. Cette nouvelle forme d’ouverture implique de nouveaux modes de ruine. De ce fait, en vue de développer un modèle de calcul analytique adapté à cette nouvelle forme d’ouverture, une campagne d’essais expérimentaux a été menée sur des poutres cellulaires à ouvertures sinusoïdales à grande échelle (≈10m). Au travers de ces études expérimentales sur trois configurations de poutre, nous avons montré que le principal mode de ruine est lié à la flexion Vierendeel. En effet, la flexion locale des membrures de l’ouverture la plus sollicitée engendre soit la formation de 4 rotules plastiques aux 4 coins de l’ouverture, soit l’instabilité locale des parois d’âme comprimées. Un modèle aux éléments finis a été développé sur le logiciel SAFIR afin d’analyser les différents modes de ruines observés. Ce modèle a été validé sur la base des résultats expérimentaux et nous a permis d’identifier deux points particuliers : d’une part l’existence d’un maintien rotationnel entre le montant intermédiaire et la paroi d’ouverture et d’autre part, la ruine de l’ouverture ne se produit qu’au travers d’un mécanisme combinant les ruines des différents quarts d’ouverture. Une seconde campagne d’études expérimentales et numériques a ensuite été menée sur des parties isolées, extraites des poutres préalablement testées, afin d’étudier de manière locale le comportement à la flexion des quarts d’ouverture. Ces études ont servi à valider un second modèle aux éléments finis, développé sur le logiciel Cast3m. Celui-ci nous a permis, au travers d’une étude paramétrique, de quantifier le maintien rotationnel apporté par le montant intermédiaire sur la paroi d’âme d’ouverture adjacente. Cette étude a confirmé l’importance de la rigidité apportée par le montant intermédiaire aux parois d’âme adjacente. Ainsi, cet apport de rigidité doit être pris en compte dans l’approche analytique pour définir de manière réaliste la résistance au voilement local des différentes parties d’une ouverture sinusoïdale. Finalement, cette thèse a abouti au développement d’un nouveau modèle analytique de calcul de la résistance ultime des parois d’une ouverture sinusoïdale. Du fait des éventuelles instabilités locales, le modèle analytique s’est appuyé sur des éléments théoriques de stabilité des plaques. De plus, une étude numérique détaillée du mécanisme de ruine d’une ouverture isolée nous a permis de justifier une approche cinématique de ruine de l’ouverture sinusoïdale. Cette approche combine les résistances ultimes des différents quarts d’ouverture. Le modèle analytique proposé permet de considérer à la fois la résistance ultime de chaque partie de l’ouverture et leurs modes de ruine. Une étude comparative avec des résultats numériques a montré que ce modèle est fiable et représentatif de la réalité pour caractériser l’état limite ultime des poutres cellulaires à ouvertures sinusoïdales.

The aim of this thesis is to develop an analytical approach so as to define the ultimate failure load of cellular beams with sinusoidal openings. Indeed, the evolution of the conception techniques led to the development of a new opening shape for cellular beams: the sinusoidal openings (AngelinaTM beam). This new opening shape involves new failure modes at ultimate limit state and cannot be calculated with existing methods. Thus, experimental tests have been carried out on full scale cellular beams with sinusoidal openings (≈10m span). It has been shown, through those experimental studies led on three beam configurations, that the main failure mode is linked to the Vierendeel mechanism. At ultimate limit state, the local bending of the members of the most stressed opening leads to either the formation of four plastic hinges or the local buckling of the compressed opening web panels. A finite element model has been developed on the software SAFIR in order to better understand the different observed failure modes. This model has been validated on the basis of the experimental results and allowed identifying two main points: firstly, the existence of a rotational restraint between the intermediate web-post and the opening web panel and secondly, the failure of the sinusoidal opening corresponds to a mechanism combining the failure of each opening quarters. A second experimental and numerical test campaign has been conducted on isolated parts of the previous tested beams, in order to study locally the behavior of the opening quarters under local bending. Those studies allowed validating a finite element model developed on Cast3m software. This model has been used for a parametrical study which allowed quantifying the rotational restraint supplied by the intermediate web-post on the adjacent opening panel. This study confirmed the importance of the stiffness supplied by the intermediate web-post to the opening panels. Thus, it has to be taken into account to get a representative analytical failure load of each opening quarter. Finally, this thesis led to the development of a new analytical model for the calculation of the ultimate strength of the different opening parts. Due to the possible local buckling, the model is based on theoretical elements on the stability of plates. Furthermore, a detailed numerical study of the mechanism of failure of an isolated opening allowed justifying a cinematic approach for the failure of the opening. This approach combines the ultimate strength of each opening parts. The proposed analytical model permits to consider each opening quarter failure mode and strength. A comparative study with finite element results has showed that this model is reliable and representative of reality for defining the ultimate limit state of cellular beams with sinusoidal openings.