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23.01.2025

Calcul direct des déformations

à l’aide de la méthode de rigidité effective (ESM)

1. Description du contexte théorique

Pour l’analyse des déformations dans le cadre de la vérification du béton, on utilise une méthode analytique pour les structures 2D et les éléments 1D soumis à des efforts normaux et à des moments fléchissants. Celle-ci repose sur la détermination de rigidités effectives (méthode de rigidité effective) au niveau de la section en tenant compte de l’état fissuré, ainsi que d’effets tels que le le raidissement en traction et des effets à long terme simples (retrait et fluage).

1.1. Hypothèses fondamentales sur le matériau et la géométrie

Pour l’analyse directe des déformations dans la vérification du béton, on adopte un comportement linéaire élastique en compression ainsi qu’un comportement linéaire élastique jusqu’à atteindre la résistance en traction. De telles hypothèses suffisent pour la vérification de l’état limite de service. Si les contraintes dépassent la résistance en compression du béton, l’évolution de l’endommagement se fait conformément à l’EN 1992-1-1, 7.3.4.

Le calcul repose sur un modèle isotrope simple de la mécanique de la rupture, défini individuellement pour les deux directions des armatures. Conformément à l’EN 1992-1-1, une matrice de rigidité effective du matériau est calculée par interpolation entre l’état non fissuré (état I) et l’état fissuré (état II) selon la clause 7.4.3, équation (7.18). Le béton armé est ainsi modélisé comme un matériau orthotrope. Les effets tels que le raidissement en traction ainsi que les effets simples à long terme (retrait et fluage) sont pris en compte.
Le calcul des matrices de rigidité du matériau est implémenté pour les types de modèles 2D-XY (uz / φx / φy) et 3D. Dans le modèle 3D, l’influence des excentrements des centres de gravité idéaux est en outre prise en compte dans la matrice de rigidité.

1.2. Efforts internes de calcul

Comme décrit ci-dessus, le calcul des rigidités repose sur des hypothèses linéairement élastiques. Les efforts internes sont transformés perpendiculairement à la direction des armatures ф et sur les deux faces s (supérieure et inférieure). Les efforts internes obtenus – moments fléchissants ms,ф et efforts normaux ns,ф (les moments de torsion sont éliminés par la transformation) – dépendent des paramètres suivants :
(a) type de modèle ;
(b) méthode de calcul ;
(c) critère de classification.

1.3. Surface critique

Pour déterminer la surface critique, chaque direction d’armatures ф est examinée séparément. L’état de contraintes est analysé sur la face inférieure (dans le sens de l’axe local +z) et sur la face supérieure (dans le sens de l’axe local -z). La surface présentant la contrainte de traction du béton la plus élevée est considérée comme déterminante. Les efforts internes sur les surfaces critiques sont désignés par nф et mф.

L’effort normal nф,s, transformé dans la direction d’armatures ф, a la même valeur pour les deux faces (nф = nф,haut = nф,bas). Par conséquent, les efforts normaux ne sont pas pertinents pour la détermination de la surface critique. Seuls les moments fléchissants sont examinés, afin d’identifier la surface déterminante. Les signes des moments fléchissants mф,s sont ensuite définis en fonction du fait que les moments provoquent une traction ou une compression sur la face correspondante. La surface critique est celle présentant le moment fléchissant le plus élevé (c’est-à-dire la surface la plus sollicitée en traction).

Pour le calcul des rigidités, seuls les efforts internes nф et mф sur la surface critique sont pris en compte. Jusqu’à présent, le terme « surface inférieure » se rapportait à l’axe local +z. Ci-après, toutefois, « surface inférieure » se rapporte à la face déterminante de la surface.

1.4. Propriétés de la section

Les propriétés de la section sont déterminées pour les deux directions d’armature et pour les deux états de section c (fissuré / non fissuré). Pour l’état I (section non fissurée), on considère un comportement linéaire élastique du béton en traction. Pour l’état II (section fissurée), la résistance à la traction du béton n’est pas prise en compte.

Le calcul des paramètres géométriques est indépendant des efforts internes pour l’état I, ce qui permet un calcul direct. Pour l’état II, la profondeur de l’axe neutre est calculée de manière itérative. Pour des raisons numériques, le logiciel utilise un pourcentage d’armature minimal ρmin = 10-4 pour les deux surfaces déterminantes (supérieure et inférieure), mais uniquement en présence d’une composante d’effort normal positive. Cela signifie qu’en l’absence d’armatures, une surface minimale virtuelle d’armature est prise en compte. Une valeur aussi faible n’a pas d’influence notable sur les résultats (rigidités).

Les propriétés idéalisées de la section calculées (rapportées à la section en béton) en direction d’armature ф et pour l’état de fissuration c sont :
(a) moment d’inertie par rapport au centre de gravité idéalisé Ic,ф
(b) moment d’inertie par rapport au centre de gravité géométrique de la section I0,c,ф
(c) aire de section Ac,ф
(d) excentrement du centre de gravité idéalisé ec,ф

1.5. Effets à long terme

Le retrait et le fluage sont des propriétés du béton dépendantes du temps. Conformément à l’EN 1992-1-1, les effets à long terme doivent être pris en compte séparément.

1.5.1. Fluage

Les effets de fluage sont pris en compte par une réduction du module d’élasticité du béton Ec, en utilisant le coefficient de fluage effectif ϕeff conformément à l’EN 1992-1-1, équation (7.20) :

1.5.2. Retrait

Dans le calcul de la flèche selon l’EN 1992-1-1, deux aspects sont influencés par les effets de retrait.

1.5.2.1. Réduction de la rigidité du matériau
La rigidité du matériau dans chaque direction d’armature φ est réduite par un coefficient dit d’influence du retrait ksh,c,φ. Pour les deux états de fissuration c (fissuré / non fissuré), les efforts normaux dus au retrait nsh,c,φ et les moments fléchissants msh,c,φ sont déterminés à partir de la déformation libre de retrait εsh :

« Fig. 1.1 » : Efforts internes nsh,ф et msh,ф
Avec ces efforts internes dus au retrait, la courbure supplémentaire κsh,c,ф au point analysé est calculée, sans l’influence du modèle environnant. Ensuite, le coefficient d’influence du retrait

Le coefficient ksh,c,ф est limité à l’intervalle ksh,c,ф ∈ (1, 100). Ainsi, ksh,c,ф ne peut pas réduire la rigidité de plus de 100 fois (pour des raisons numériques et physiques). La valeur minimale ksh,c,ф = 1,0 signifie que l’influence du retrait ne peut pas être prise en compte lorsque celui-ci présente une orientation opposée à la courbure κd induite par la charge. Si le retrait est désactivé, le coefficient ksh,c,ф = 1,0.
L’influence du retrait sur la rigidité membranaire n’est pas prise en compte.

1.5.2.2. Calcul du coefficient de distribution
Le second effet du retrait concerne le calcul du coefficient de distribution (paramètre de fissuration) ζ conformément à l’EN 1992-1-1, 7.4.3, équation (7.18). Le chapitre suivant détaille le coefficient de distribution.

1.6. Coefficient de distribution

Le calcul du coefficient de distribution ζd est présenté pour la direction d’armature ф. Le logiciel calcule d’abord la contrainte maximale de traction du béton σmax,ф, un comportement linéaire élastique du matériau étant présumé. Si les effets à long terme (fluage ou retrait) sont activés, la contrainte maximale doit être calculée deux fois, dans le cas contraire, une seule fois suffit.

Calcul à court terme : vérifie si des fissures apparaissent immédiatement après l’application de la charge.
Calcul à long terme : prend en compte le comportement de fissuration avec l’influence du fluage ou du retrait à la fin de la période considérée.

Étapes de calcul :
Avec fluage activé : les paramètres géométriques à court terme et la contrainte maximale sont calculés.
Avec retrait activé : il suffit de recalculer la contrainte à court terme. Ensuite, la contrainte maximale finale σmax,ф est calculée comme le maximum entre la contrainte à long terme σmax,lt,ф et la contrainte à court terme σmax,st,ф.

L’influence de l’effort dû au retrait sur la contrainte de traction maximale σmax,ф est prise en compte par les efforts internes supplémentaires dus au retrait. Le calcul du coefficient de répartition ζd,ф dépend du fait que le raidissement en traction soit ou non pris en compte selon l’EN 1992-1-1 dans le calcul des déformations.

1.6.1. Coefficient de distribution ζd,ф avec prise en compte du raidissement en traction

1.6.2. Coefficient de distribution ζd,ф sans prise en compte du raidissement en traction

1.6.3. Détection de l’état fissuré

La détection de l’état fissuré peut être configurée dans la configuration pour l’ELS (État Limite de Service). Les options suivantes sont disponibles :
(a) l’état fissuré est calculé en fonction de la charge correspondante ;
(b) l’état fissuré est basé sur la combinaison caractéristique correspondante (CO) de la situation de projet à l’ELS ;
(c) l’état fissuré est déterminé comme une enveloppe de toutes les situations de projet à l’ELS ;
(d) l’état fissuré est indépendant de la charge.

« Fig. 1.2 » : Configuration pour l’ELS
Si l’option l’état fissuré est calculé en fonction de la charge correspondante est sélectionnée, l’état fissuré (coefficient de répartition ζd) est calculé uniquement sur la base de la charge actuelle (combinaison de charges).
Si l’option l’état fissuré est basé sur la combinaison caractéristique correspondante (CO) de la situation de projet à l’ELS est sélectionnée, le coefficient de distribution ζd est calculé comme le maximum de toutes les charges correspondantes. Les charges correspondantes peuvent être définies dans la définition de la combinaison de charges.

« Fig. 1.3 » : Charges correspondantes
Si l’option l’état fissuré est déterminé comme une enveloppe de toutes les situations de projet à l’ELS est sélectionnée, le coefficient de distribution ζd est calculé comme le maximum de toutes les situations de projet. Si l’option l’état fissuré est indépendant de la charge est sélectionnée, le coefficient de distribution est toujours égal à 1,0.

1.6.4. Situations de projet

En général, la flèche est calculée pour les charges quasi permanentes. Il est toutefois possible de sélectionner les situations de projet souhaitées (dans la configuration pour l’ELS, option Attribution définie par l’utilisateur du type de situation de projet), pour lesquelles la flèche doit être calculée.
Les types de situations de projet à l’ELS suivants sont disponibles :
- quasi permanent,
- fréquent,
- caractéristique.
Pour chaque type, une valeur limite de flèche peut être définie (voir « Fig. 1.2 »). En outre, les situations de projet souhaitées sont également définies pour la vérification du béton.

« Fig. 1.4 » : Paramètres des situations de projet pour la vérification du béton
Pour la détection de l’état fissuré (notamment lors du choix entre une détection à partir des charges correspondantes ou à partir de toutes les situations de projet à l’ELS), le réglage dans la vérification du béton est déterminant.
En d’autres termes :
- si une situation de projet est désactivée dans la configuration pour l’ELS mais activée dans les paramètres de vérification du béton, cette situation de projet est prise en compte.
- si une situation de projet est activée dans la configuration pour l’ELS mais désactivée dans les paramètres de vérification du béton, cette situation de projet n’est pas prise en compte.

1.7. Propriétés de la section pour l’analyse des déformations

Dans la matrice de rigidité du matériau D pour l’analyse des déformations, le logiciel a besoin des propriétés de section dans chaque direction d’armature, en fonction de l’état de fissuration. Celles-ci sont :
(a) moment d’inertie par rapport au centre de gravité idéalisé Iф ;
(b) moment d’inertie par rapport au centre de gravité géométrique de la section I0,c ;
(c) aire de section idéalisée Aф ;
(d) excentrement du centre de gravité idéalisé eф par rapport au centre de gravité géométrique.
Une déformation moyenne εф et une courbure moyenne κф sont calculées par interpolation entre l’état fissuré et l’état non fissuré conformément à l’EN 1992-1-1, équation (7.18) :


La déformation à l’état non fissuré et à l’état fissuré c (état I et II) est calculée selon les équations suivantes :

Les propriétés idéalisées de la section sont calculées par rapport au centre de gravité idéalisé de la section. L’influence du retrait est prise en compte par le facteur ksh,c,ф :

Si l’effort normal est différent de zéro, les propriétés de la section sont calculées par rapport au centre de gravité géométrique de la section en tenant compte de l’excentrement :

1.8. Matrice de rigidité du matériau D (barres)

La rigidité axiale EA et la rigidité en flexion EIy,0 sont calculées uniquement dans la direction d’armatures ф = 1 (direction de la barre) comme suit :

1.9. Matrice de rigidité du matériau D (surfaces)

Lors du calcul des propriétés de section, la valeur initiale du coefficient de Poisson νinit est réduite indépendamment dans les deux directions selon l’équation suivante :


La matrice de rigidité du matériau est calculée conformément à la théorie des surfaces orthotropes.

1.9.1. Rigidité en flexion - plaques et coques

Les rigidités en flexion dans les directions d’armature ф sont déterminées comme suit :
Pour les coques :


Pour les plaques :
La composante hors diagonale de la matrice de rigidité du matériau est identique pour les plaques et les coques :
Pour les coques, les différences de rigidité en flexion dues aux moments d’inertie sont compensées dans la matrice de rigidité du matériau par les composantes d’excentrement.

1.9.2. Rigidité en torsion des plaques et des coques

Les éléments de la matrice de rigidité sont calculés pour les plaques et les coques comme suit :

1.9.3. Rigidité en cisaillement des plaques et des coques

Les éléments de la matrice de rigidité en cisaillement ne sont pas réduits lors de l’analyse des déformations. Ils sont déterminés à partir du module de cisaillement G de la section idéalisée et de la hauteur de section h. L’expression est identique pour les coques et les plaques :

1.9.4. Rigidité membranaire des coques

Les rigidités membranaires dans les directions d’armature ф sont calculées comme suit :


La partie non diagonale de la matrice de rigidité du matériau est déterminée par :

La part de la composante de rigidité au cisaillement est la suivante :

1.9.5. Excentrement – coques

Les éléments de la matrice de rigidité pour l’excentrement du centre de gravité (section idéalisée) dans la direction d’armature ф sont calculés comme suit :


La partie non diagonale de la matrice de rigidité du matériau est déterminée par :

La composante d’excentricité pour la torsion est calculée comme suit :

1.9.6. Vérification de la positivité définie

La positivité définie de la matrice de rigidité du matériau D est testée au moyen d’un critère de SYLVESTER modifié (en tenant compte des blocs nuls).
Si la matrice de rigidité D n’est pas définie positive, les composantes non diagonales de la matrice de rigidité du matériau sont successivement mises à zéro. Dans le cas extrême, seules les composantes positives de la diagonale principale sont conservées.

1.10. Calcul des flèches

Les flèches d’un objet (barre ou surface) sont déterminées à l’aide de la matrice de rigidité D préalablement calculée. Le ratio de vérification est calculé à partir de la flèche et de la valeur limite.

1.10.1. Charge correspondante

Si une charge correspondante est assignée à la charge principale, la flèche finale est calculée comme la somme des valeurs individuelles. La combinaison de charges principale est calculée sans propriétés dépendantes du temps (fluage et retrait) et doit donc être à court terme (fréquente ou caractéristique). La combinaison de charges correspondante, en revanche, est toujours calculée avec les propriétés dépendantes du temps et doit donc être à long terme (quasi permanente). Si plus d’une charge correspondante est assignée, celle présentant la valeur de flèche la plus élevée est prise en compte.
La flèche totale est calculée comme suit :


1.11 Différences entre RFEM 5 et RFEM 6

Calcul de la hauteur de la zone comprimée du béton
Dans RFEM 5, la hauteur de la zone comprimée du béton est calculée sur la base de la hauteur nette de la section, tandis que dans RFEM 6, la hauteur brute de la section est utilisée. Cette approche permet un calcul plus rapide et plus clair, tout en offrant une meilleure traçabilité des résultats. Grâce à cette simplification, la précision du calcul reste à un niveau élevé, de sorte que les résultats ne présentent pas de différences significatives dans la pratique. RFEM 6 offre ainsi une solution plus efficace avec des résultats toujours précis.

Coefficient de distribution des armatures
Le coefficient de distribution, qui décrit la distribution des contraintes sur la section, était déterminé dans RFEM 5 exclusivement sur la base de la contrainte agissant à long terme. Cela signifie que seule la contrainte agissant pendant une période prolongée était prise en compte. Dans RFEM 6, l’approche de calcul a été améliorée afin de prendre désormais en compte le maximum entre la contrainte à long terme et la contrainte à court terme. Cette modification permet une représentation plus réaliste des conditions de contrainte réelles dans la section.