CSA S16: 19 Considération de la stabilité et nouvelle Annexe O.2

Article technique sur le calcul de structure et l'utilisation des produits Dlubal

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La stabilité structurelle n'est pas un phénomène nouveau dans le domaine du calcul de l'acier. La norme canadienne sur l'acier CSA S16 et sa dernière version 2019 ne font pas exception. Les exigences détaillées en matière de stabilité peuvent être traitées avec la méthode simplifiée d'analyse de stabilité de la section 8.4.3 ou, selon la version 2019, avec les effets de stabilité dans la méthode d'analyse élastique de l'Annexe O.

La section 8.4.1 [1] liste les exigences de stabilité auxquelles la conception de structure doit satisfaire avec les deux méthodes. Celles-ci incluent les déformations qui contribuent à la structure, les effets selon la théorie du second ordre incluant P-Δ et P-δ, les imperfections globales ainsi que les imperfections géométriques des barres, la réduction de la rigidité, qui prend en compte le fluage et les contraintes résiduelles sur les barres, et enfin, les facteurs d'incertitude concernant la rigidité et la résistance de la structure.

Section 8.4.3 - Méthode d'analyse simplifiée de stabilité

Avec la méthode simplifiée d'analyse de stabilité donnée en 8.4.3 [1] , seules quelques exigences sont listées.

Non-linéarités géométriques

Le premier inclut les effets de barre de la théorie du second ordre ou P-Δ, qui peuvent être considérés directement dans l'analyse. Une méthode de calcul selon l'analyse du second ordre est aujourd'hui intégrée dans la plupart des logiciels de calcul de structure. Il est également possible d'augmenter toutes les charges de barre et les moments fléchissants déterminés à partir d'une analyse selon l'analyse du premier ordre avec le facteur U2 défini en 8.4.3.2 (b) [1]. Cette approche est mieux adaptée aux calculs manuels ou si le logiciel de calcul de structure ne considère pas automatiquement les effets P-Δ.

Imperfections géométriques

Le deuxième point concerne les charges notionnelles listées selon la méthode simplifiée dans la Section 8.4.3.3 [1] . La charge appliquée correspond à 0,005 fois la charge gravitationnelle totale dans l'étage considéré et doit être répartie de manière similaire à la charge gravitationnelle. Les charges fictives sont toujours appliquées dans la direction qui produit le plus grand effet déstabilisateur. Cela signifie que de telles charges doivent être appliquées dans la même direction qu'une charge de vent latérale afin de générer les déformations et les efforts internes les plus élevés sur la structure.

Annexe O.2 - Effets de stabilité dans l'analyse élastique

Au lieu de l'approche simplifiée de l'analyse de stabilité décrite ci-dessus, l'Annexe O.2 peut être utilisée pour satisfaire les exigences de stabilité de la Section 8.4.1 [1]. Cette approche a été incluse dans la version 2019 de la norme et présente de nombreuses similitudes avec le manuel américain sur la construction métallique AISC 360-16 chap. C Méthode de calcul directe.

Non-linéarités géométriques

Les non-linéarités géométriques ou les effets selon la théorie du second ordre sont traités en O.2.2 [1] . Tout comme la méthode simplifiée, il est également possible d'effectuer directement un calcul selon l'analyse du second ordre, qui inclut les effets des charges sur les points d'intersection déplacés des barres (effets P-Δ). De plus, les effets des charges longitudinales sur la forme de barre déviée le long de la longueur doivent être considérés (P-δ). Dans O.2.2 [1], il y a des déterminations où P-δ peut être complètement négligé. Cependant, si P -δ est directement inclus dans le calcul, le facteur U1 utilisé dans la Section 13.8 - Pression axiale et calcul des composants structuraux soumis à la flexion [1] peut être défini sur 1,0.

Imperfections géométriques

Les imperfections géométriques de barre telles que la courbure de barre ou les imperfections géométriques locales telles que la courbure de barre ne doivent pas être considérées lors de la vérification selon la Section O.2 [1] . Cependant, les imperfections géométriques globales doivent être considérées directement lors de la modélisation ou de l'utilisation de charges fictives. Toutefois, ces imperfections géométriques globales ne peuvent être négligées pour les combinaisons de charges latérales que si elles satisfont aux exigences de la Section O.2.3.1 [1] . Les conditions requises incluent que les charges de gravité de la structure soient principalement absorbées par les composants porteurs verticaux et le rapport entre le déplacement maximal du plancher selon le second ordre et le déplacement du plancher du premier ordre avec une rigidité de barre réduite selon la Section O.2.4 [1] au niveau sans étage 1, dépasse 7.

Si ces imperfections ne peuvent être négligées, la première méthode de modélisation directe peut être utilisée. Les points de section de barre doivent être déplacés de leurs positions d'origine. L'amplitude de ce déplacement initial est donnée dans la Section 29.3 [1] et est appliquée dans la direction la plus déstabilisante, ce qui correspond à une tolérance de 1/500 pour l'inclinaison des poteaux. Le principal problème avec cette méthode est le nombre élevé de scénarios de modèle à considérer. En théorie, quatre déplacements dans les quatre directions différentes sont requis à chaque étage. Si les effets de courbure de barre sont associés à l'inclinaison du poteau, de nombreux autres scénarios de modèle sont ajoutés afin d'obtenir le plus grand effet de déstabilisation.

La méthode alternative et privilégiée pour les imperfections géométriques globales est l'application de charges théoriques. Cette méthode n'est autorisée que si les charges gravitationnelles sont principalement absorbées par des éléments structuraux verticaux. Les charges fictives ont déjà été abordées ci-dessus et sont appliquées de manière analogue à l'analyse de stabilité simplifiée de la Section 8.4.3.2 [1] . Cependant, la taille du plancher considéré est réduite de 0,005 fois à 0,002 fois la charge gravitationnelle fournie avec les coefficients. La réduction de taille est autorisée selon la Section O.2.3.3, car ces charges fictives ne considèrent que les imperfections géométriques globales, tandis que les charges fictives selon la Section 8.4.3.2 [1] considèrent également les effets d'inélasticité et d'autres incertitudes.

Effets d'inélasticité

Afin de considérer les effets d'inélasticité et les imperfections initiales des barres ou les imperfections géométriques locales ainsi que les incertitudes concernant la rigidité et la résistance, une barre axiale et une rigidité en flexion réduites doivent être appliquées aux barres selon les équations suivantes de la Section O.2.4 [ 1] , ce qui contribue à la stabilité latérale.

(EA)r = 0,8 τb EA

(EI)r = 0,8 τb EI

avec

Cf/Cy <0,5; τb = 1,0

Cf/Cy > 0,5; τb = 4 Cf/Cy (1 - Cf/Cy )

Afin d'éviter les déformations locales, la norme suggère d'appliquer cette réduction de rigidité à toutes les barres. De plus, une réduction de la rigidité doit être considérée si la rigidité de cisaillement (GA) et la rigidité de torsion (GJ) contribuent de manière significative à la stabilité latérale. La réduction de rigidité ne doit pas être utilisée lors de l'analyse des flèches, des flèches, des vibrations ou des vibrations naturelles.

Application de l'Annexe O.2 dans RFEM

Le programme FEM RFEM a implémenté les dernières exigences de stabilité de la norme CSA S16: 19 selon les nouvelles dispositions de l'Annexe O.2.

Non-linéarités géométriques

Les effets selon l'analyse du second ordre selon la Section O.2.2 [1] sont pris en compte directement pour chaque cas de charge ou chaque combinaison de charges si «Second ordre» est défini comme méthode de calcul.

Pour l'analyse de barre, non seulement les effets P-Delta sont considérés, mais également les effets P-δ. Par conséquent, le facteur U1 peut être défini directement sur 1,0 dans le module de calcul RF-/STEEL CSA, comme spécifié dans la Section 13.8.

Imperfections géométriques

Il est également possible de modéliser directement les imperfections géométriques globales en déplaçant les points ou les nœuds des points de segment de barre. Cependant, pour que cette méthode produise le plus grand effet déstabilisateur, plusieurs modèles avec des scénarios différents doivent être réalisés. Cette opération est assez longue et fastidieuse.

Une autre approche consiste à appliquer des charges fictives avec les options d'imperfection de RFEM. Dans la boîte de dialogue correspondante, CSA S16: 19 est inclus dans les options du menu déroulant. La charge fictive est appliquée à l'extrémité de la barre (c'est-à-dire à la tête du poteau) avec une valeur égale à 0,002 (ou 0,005 pour la méthode de stabilité simplifiée) et multipliée par l'effort normal de la barre (effort tranchant de barre appliqué). À l'extrémité opposée de la barre, la même force opposée est appliquée à l'intérieur pour éviter un cisaillement irréaliste au bas de la structure.

Ces cas de charge d'imperfection peuvent être appliqués dans RFEM avec des cas de charge latéraux spécifiques afin de générer le plus grand effet de déstabilisation et en même temps d'éviter la formation de combinaisons de charges qui ne sont pas co-déterminantes et de prolonger uniquement le temps de calcul (charges fictives) dans la direction X doit être combinée uniquement avec les charges de vent dans la direction X). De plus, les imperfections des règles de combinaison de charges telles que l'état limite de service peuvent être complètement désactivées, alors qu'elles sont toujours appliquées aux combinaisons de résistance.

Effets d'inélasticité

Sous «Modifier la rigidité», vous pouvez maintenant définir la norme CSA S16: 19. Avec cette option, le facteur de modification 0,8 et le facteur τb calculé sont directement appliqués à la rigidité axiale et à la rigidité en flexion de la barre. Les utilisateurs peuvent également appliquer ces réductions à la rigidité en torsion et au cisaillement de la barre.

Étant donné qu'aucune réduction de la rigidité de barre ne doit être prise en compte pour la vérification à l'état limite de service (c'est-à-dire les flèches), toutes les modifications de rigidité de barre pour les combinaisons de charges de service peuvent être désactivées dans RFEM et restent activées pour les combinaisons de charges de résistance.

Résumé

Des mises à jour importantes de la vérification de stabilité selon l'Annexe O.2 du dernier manuel canadien de calcul de l'acier CSA S16: 19 sont désormais pleinement intégrées au processus d'analyse de RFEM. Ces mises à jour incluent surtout la possibilité de considérer les charges fictives comme des imperfections ainsi que des rigidités de barre réduites selon la norme CSA S16: 19. Pour voir les nouvelles mises à jour dans un exemple de vidéo détaillé, regardez le webinaire CSA S16: 19 sur le calcul de l'acier dans RFEM (en anglais).

Auteur

Amy Heilig, PE

Amy Heilig, PE

PDG de Dlubal Software, Inc. & & Sales & Technical Support Engineer

Amy Heilig est PDG du bureau américain de Philadelphie, PA. En outre, elle est responsable des ventes et du support technique et continue de soutenir le développement des programmes Dlubal pour les marchés américain et canadien.

Mots-clés

Acier Barre en acier CSA CSA S16 CSA S16:19 Stabilité Réduction de rigidité Charges fictives Imperfections P-delta P-Δ

Littérature

[1]   CSA S16:19, Design of Steel Structures

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  • Mis à jour 4 mai 2021

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