Introduction
Les possibilités de simulation de l’interaction entre le vent, un séisme et l’interaction sol-structure seront illustrées ci-dessous à l’aide de l’exemple d’un gratte-ciel.
Description du modèle
Cet article technique examine un gratte-ciel fictif de 20 étages avec une structure hélicoïdale. Les planchers, les poteaux et le noyau de contreventement sont en béton armé. Les surfaces extérieures ont un revêtement en verre. Le sol existant avec stratification irrégulière est pris en compte via des profils de sol. Il est composé de sable, de gravier et de roche érodée au bas du massif de sol étudié.
Les charges considérées incluent le poids propre, des charges d’exploitation sur les planchers de 2 kN/m², des charges de vent dans une direction provenant de RWIND 3 et des charges sismiques provenant de l’analyse du spectre de réponse.
Le modèle peut être téléchargé via le lien suivant.
Interaction sol-structure
Le sol est simulé dans cet exemple par la méthode du module de rigidité. Les trois profils de forage renseignés entraînent pour chaque élément de la semelle de fondation une rigidité correspondant à la réaction du sol existant à la pression du sol appliquée.
L’influence de cette prise en considération du sol se manifeste d’abord par la taille du fichier et donc aussi par les performances. Le plus grand calcul est celui du sol existant à l’aide de la méthode bidimensionnelle par rapport à celle en tant que solide 3D. Cependant, la prise en compte de la stratification du sol directement issue des profils de forage, sans génération des solides, réduit encore les besoins en mémoire du modèle et améliore la performance.
Pour en savoir plus sur les données d’entrée et les options disponibles, consultez le manuel en ligne via le lien suivant :
- Manuels en ligne RFEM 6 | Analyse géotechnique | Données d’entrée | Méthode du module de rigidité 2D
L’image suivante compare les tassements sous poids propre (en haut) avec ceux de la combinaison de charges caractéristique avec charge d’exploitation (au milieu) et effet de vent d’accompagnement (en bas). On peut observer un tassement plus important sous le noyau en béton armé du bâtiment, qui s’affaiblit vers le bord extérieur de la dalle. En comparant les tassements résultant de la combinaison avec le vent (en bas) à ceux sans (au milieu), la charge de vent en direction x positive entraîne logiquement un tassement réduit du côté gauche et un augmenté du côté droit.
Dans la comparaison des coefficients de fondation élastique, on constate que les deux combinaisons de charges caractéristiques ne diffèrent pas. La raison en est que ces dernières ont été importées automatiquement via l’assistant de combinaison à partir de la combinaison de calcul quasiment permanente correspondante. Cela permet non seulement de gagner du temps de calcul, mais devrait également mieux correspondre au comportement du sol en raison de l’inertie de la réaction du sol. Pour en savoir plus sur l’adoption de la fondation élastique, consultez le manuel :
Simulation des flux de vent
L’animation suivante montre les résultats de la simulation du vent provenant de RWIND. Comme on peut le voir, la structure est contournée en direction X.
La charge de vent en torsion résultant de la structure hélicoïdale entraîne également une déformation en torsion du gratte-ciel autour de son axe vertical. L’image ci-dessous le montre à la combinaison de charges caractéristique avec charge principale de vent (vue isométrique en haut et vue de dessus en bas).
Séisme
Étant donné que l’analyse modale, en tant que base pour l’analyse sismique utilisant l’analyse du spectres de réponse, n’introduit pas de non-linéarités, la fondation doit faire l’objet d’une attention particulière dans le cas étudié. Le sol ne peut généralement pas supporter d’efforts de traction. C’est particulièrement vrai pour une fondation superficielle, comme prévu ici. Ce comportement est également modélisé par la méthode du module de rigidité. Les résultats de l’analyse modale sont illustrés à titre d’exemple dans l’image suivante pour le premier mode propre.
Il existe différentes approches pour une analyse sismique simplifiée. Par exemple, l’annexe nationale allemande de l’Eurocode 8 renvoie à la comparaison du rapport entre la charge de vent et la charge sismique. Si la charge du vent est plus de 1,5 fois supérieure à la charge sismique, une approche distincte peut être omise. Dans cet exemple, cela peut être déterminé à partir de la somme des forces de fondation de la combinaison de charges caractéristique 9 (poids propre et vent en X) et de l’accélération dérivée du spectre de réponse en direction X du premier mode propre. Cependant, le ratio résultant est plus important, comme le montre l’équation suivante. La pertinence de cette limite pour un gratte-ciel de 70 m serait de toute façon discutable.
Une bonne valeur indicative pour la période propre fondamentale admissible est donnée par l’ASCE 7. Selon la formule 12.8-8, une période propre admissible de 2,13 s est calculée pour cet exemple. Cependant, comme la première période propre déterminée par l’analyse modale est de 2,24 s, aucune vérification simplifiée n’est possible ici non plus.
Néanmoins, un cas de charge a été envisagé, simplifiant l’accélération horizontale du premier mode propre en appliquant à chaque point de masse un facteur à l’accélération sismique. L’application de la valeur plateau de 1,67 m/s² a également été considérée. Il serait plus correct d’appliquer cela conformément au mode propre au lieu de manière uniforme à chaque point de masse. Cependant, cette considération permet de vérifier de façon simplifiée les pressions sous fondation résultantes et d’éviter une fissuration. Les paramètres du cas de charge et les contraintes de contact résultantes sont indiqués dans les images suivantes.
Comme vous le voyez, une fissuration dans la semelle de fondation ne se produit qu’avec l’application de l’accélération de plateau. Ici, l’appui de surface tomberait donc sous un chargement de poids propre et une sollicitation sismique horizontale.