Bases des structures en acier

Remarque professionnelle importante : Il s’agit d’un texte éducatif d’archives, et non d’une spécification de conception actuelle, d’un calcul statique, d’une preuve de capacité de charge ou d’instructions de fabrication et d’assemblage. La conception des structures en acier doit inclure les actions réelles, les connexions, la stabilité, la fatigue, le feu, la corrosion et toutes autres conditions pertinentes selon les réglementations et normes en vigueur, sous la responsabilité du concepteur autorisé.

La conception et la construction de structures en acier ne font pas partie de l’offre publique actuelle de Savo Kusić. L’accent de production actuel se compose de fenêtres en bois, fenêtres en bois-aluminium et portes personnalisées.

Les structures en acier ont une caractéristique commune en ce sens qu’elles sont principalement constituées d’acier laminé à chaud. L’assemblage se fait à l’aide de rivets, de vis ou de soudure. Cela comprend les structures en acier pour les ponts, les bâtiments, l’industrie et les mines, l’ingénierie hydraulique, les piliers, les tours, les réservoirs, au sens large, ainsi que les grues, la construction navale, les chaudières, etc. Les présentations suivantes se concentrent sur le traitement des concepts de base.

Matériaux

Le principal matériau de construction des constructions en acier sont les profilés laminés en acier de qualité de construction S235, S275, S355, S420, S450. Selon la norme, il existe plusieurs types d’acier de construction, le numéro dans la classification indiquant généralement la résistance à la traction de l’acier. Il existe plusieurs symboles de lettres, où dans ce cas le S représente l’acier de construction. Les formes les plus couramment utilisées sont S, B (aciers à béton, armatures) et Y (aciers de précontrainte).

Supports laminés en acier

Il existe une large gamme de supports profilés en acier et chacun a son propre objectif, ses avantages et ses inconvénients.

• Profils en U
• Profilés en I avec pieds étroits (IPE, IPN)
• Profilés en I avec pieds larges (HEA, HEB, HEM, HD)
• Profilés/boîtes creux (ronds, carrés, rectangulaires)
• Feuilles
• Produits formés à froid (obtenus par laminage à froid d’une bande plate et torsion d’une bande plate)

Chacun de ces profils diffère par sa forme, ses dimensions, son objectif, etc. Par exemple, il existe plus de 20 différents profils IPN, qui diffèrent par leurs dimensions ; les profils plus grands résistent mieux au flambage (flexion et torsion latérale), aux flèches, etc.

Il existe quatre classes d’acier selon qu’ils atteignent la limite d’élasticité lorsque la contrainte augmente, que l’analyse soit plastique ou élastique, quelle est la capacité de charge de la section transversale, etc. où la première classe est la meilleure et la quatrième est la pire. Pour en savoir plus sur la structure et la résistance de l’acier, ici.

Égalisation de tension et capacité de charge à charge constante

Capacité portante. Les dimensions des structures en acier sont déterminées de manière à exclure des déformations permanentes importantes. Cependant, dans de nombreux cas, la capacité portante n’est en aucun cas épuisée lorsque la contrainte comparative la plus élevée atteint la limite d’élasticité - les déformations augmentent alors beaucoup plus rapidement que les contraintes. Pour l’acier de construction, la même dépendance que lors de la déformation peut être considérée comme la limite de la loi de Hooke pour les conditions de contraintes générales. Dans le cas d’états de contraintes homogènes, égaux en tout point, aucun changement ne se produit lorsque la limite de proportionnalité est dépassée, sauf que les déformations totales augmentent plus vite que la contrainte.

Égalisation des contraintes en flexion. Dans le cas de flexion d’une poutre, la répartition rectiligne des contraintes selon l’hypothèse de Navier s’applique, jusqu’à ce que la contrainte de bord σ=M/W ne dépasse pas la limite de proportionnalité. Expansions longitudinales ε = ε(σ). Cela est vrai au moins pour les petits virages. Les contraintes supérieures à la contrainte de proportionnalité ne peuvent croître que plus lentement que les expansions ε. Sur la fig. 1 montre la répartition des contraintes de flexion pour le diagramme de fonctionnement donné et pour différentes valeurs d’expansion des bords. La zone de proportionnalité (marquée par un cercle sur toutes les lignes de tension) devient donc de plus en plus petite à mesure que la dilatation des bords augmente. La tension de bord est d’abord limitée par σF. Ce n’est qu’après des déformations très importantes que la contrainte maximale dépasse σF, de sorte que l’influence du renfort de construction en acier devient visible (cas 5).

Fig. 1 - Égalisation de tension de flexion

Égalisation des pics de contraintes. La répartition des contraintes longitudinales sur la section passant par le milieu du trou dans une tige forée tendue correspond approximativement à la ligne 2 de la fig. 2. Le pic de tension σmax dépend du rapport d/b. Elle se situe principalement autour de σmax = 2-3 σm, où σm = S/FM désigne la valeur moyenne de la contrainte de traction dans la section fragilisée par le trou en FM. Sl. 2 est valide jusqu’à ce que l’état de tension dépasse la limite P. À des charges plus élevées, afin d’obtenir une certaine dilatation, des tensions plus faibles sont nécessaires uniquement à proximité du trou que selon la loi de la ligne droite. Aux points les plus sollicités, les contraintes n’augmenteront alors plus proportionnellement à S, mais plutôt plus lentement. A la frontière, une répartition approximativement uniforme des contraintes longitudinales σm = σf sera obtenue sur toute la section 2-2. Les contraintes de cisaillement et transversales ont été négligées. Les apparitions d’égalisation des contraintes lors de la lente augmentation de la force S dans la tige prouvent que la méthode habituelle pour les structures en acier sous l’effet d’une charge statique est justifiée, consistant à ignorer les pics de contraintes lors du dimensionnement et à comparer uniquement la contrainte moyenne σm=S/Fm dans la section affaiblie Fm avec la valeur admissible.

Fig. 2

Procédure de dimensionnement en fonction de la capacité de charge

Avec une augmentation de la charge, il y a une égalisation de la tension dans la section. Ce faisant, les contraintes sont regroupées des parties de la section les plus sollicitées vers les moins sollicitées. Tant que les déformations ne sont pas si importantes qu’elles doivent être prises en compte lors de la définition des conditions d’équilibre, ce processus ne peut rien changer à l’ampleur de l’influence de S, M, etc. pour les structures déterminées statiquement.

Appuis continus et portiques : sous l’hypothèse de la loi de Hooke, la ligne de moment indiquée sous a est obtenue pour un appui continu de section constante (fig. 3). Les contraintes de flexion sont proportionnelles aux moments de flexion M. Si les deux charges augmentent de manière égale, la limite P est d’abord dépassée au niveau de l’appui central B. La limite d’appui est atteinte lorsque le moment limite MDF est également atteint sur place. Dans le cas d’une poutre serrée des deux côtés d’une section symétrique constante avec une force concentrée (fig. 4), l’égalisation des moments existe dès le départ. Lorsque la limite P est dépassée, il n’y a aucun changement dans la distribution des moments. Au contraire, dans le cas d’une charge également répartie (fig. 5) l’égalisation des moments conduit à une réduction du moment de pincement de -2/3 Mo à -1/2 Mo.

Fig. 4

Fig. 3 et autres. 5, respectivement : moments fléchissants : a) avant, b) état limite après regroupement des forces ; a) avant, b) après l’égalisation des moments

Constructions en treillis : avec les fermes à structure interne statiquement indéterminée, il existe des dépendances similaires à celles des constructions à ossature. Les contraintes secondaires, liées aux nœuds rigides en flexion, peuvent être négligées en première approximation lors de l’évaluation de la capacité de charge. Les sections plastifiées agissent de la même manière que les joints, de sorte que l’action statique de la poutre sous la charge ultime qu’elle peut encore supporter est plus proche de celle d’une ferme idéale avec des joints dans les nœuds. Dans le cas de constructions soumises à des charges fréquemment répétées, dans lesquelles les phénomènes de résistance à la fatigue doivent être pris en compte, il existe donc des doutes considérables quant à la prise en compte de l’égalisation des forces lors du dimensionnement. Au contraire, il est d’importance pratique de conclure sur l’influence du déplacement des appuis. Étant donné que la résistance au travail des éléments structurels individuels dépend uniquement des limites de contrainte et non de l’ampleur des déformations totales, les déplacements des supports n’ont aucun effet sur la capacité portante.

Charge alternative : l’hypothèse d’un cas de charge constant est rarement réalisée. Avec les poutres de pont, il existe des états de charge variables. Les hypothèses sur les forces et la répartition des contraintes dans les éléments structurels individuels, qui simplifient, sont courantes dans les travaux pratiques avec des structures en acier ; selon la précédente, elles sont justifiées dans des circonstances ordinaires. Cela est particulièrement vrai lorsqu’on néglige les pics de tension locaux. Il ne peut pas être recommandé d’appliquer la méthode de dimensionnement en fonction de la capacité de charge sous chargement de fatigue (dynamique). Ainsi, le processus de dimensionnement en fonction de la capacité de charge est limité au cas de charges principalement statiques, notamment pour les constructions du secteur du bâtiment. Dans d’autres cas, où il faudra prêter attention à l’apparition de fatigue, il faudra exclure les déformations importantes et se baser sur la théorie de l’élasticité. Ce faisant, il convient de s’efforcer de s’éloigner suffisamment de la limite d’élasticité. La robustesse de l’acier de construction offre alors une sécurité supplémentaire.

Stress alterné

Étirement à froid et vieillissement : Sur la fig. 6 la ligne de contrainte-dilatation d’une tige ronde, exposée à des contraintes alternées de traction et de compression, a été appliquée. Les processus de chargement individuels sont marqués de numéros en fonction de leur ordre. Les dilatations élastiques qui reviennent au déchargement se produisent également après des étirements importants proportionnellement aux contraintes. Lors du changement du signe de tension, la limite P disparaît presque complètement. Par conséquent, les propriétés élastiques de l’acier de construction étiré à froid ne correspondent pas aux valeurs originales. En fonction du traitement précédent, des différences assez significatives peuvent être constatées.

Fig. 6

Parallèlement à cela, s’ajoutent davantage de signes de vieillissement. Ce terme inclut tous les changements de propriétés qui se produisent au fil du temps sans influence extérieure. Un vieillissement par étirement peut être observé après une déformation permanente par étirement à froid. Si des éprouvettes étirées en permanence sont laissées sans charge pendant un certain temps à température ambiante, la résistance à la traction et, dans une moindre mesure, la résistance à la déchirure augmentent au-dessus de la valeur d’origine, tandis que l’allongement à la rupture diminue (Fig. 7). Le processus de vieillissement dure plusieurs jours, mais est réduit à quelques heures ou quelques minutes seulement si l’acier de construction est chauffé à environ 300 oC. Il convient également de mentionner que le vieillissement par étirement se produit simultanément à l’étirement, si celui-ci se produit à température ambiante. 200 – 400 oC, c’est-à-dire dans la zone de lueur bleue.

Fig. 7 - a) ligne d’expansion d’une tige doublement chargée ; b) ligne de dilatation d’une tige tendue à froid

Action ultérieure et hystérésis : Dans un matériau complètement élastique, il existe une dépendance mutuelle sans ambiguïté entre l’état de contrainte et de déformation, de sorte que certaines contraintes correspondent toujours aux mêmes déformations et vice versa. Avec une loi d’élasticité donnée, les déformations ne dépendent pas du temps écoulé depuis l’application de la charge, ni non plus de la manière dont la charge est appliquée. Les écarts par rapport au comportement purement élastique peuvent être décrits selon deux degrés d’approximation : dans la région élastique, il existe de petits écarts ; ils peuvent être ignorés en première approximation. Ils peuvent être déterminés par des mesures précises, notamment en comparant la contrainte plus proche de la limite élastique. En effet, la dilatation n’est pas seulement fonction de la tension, mais avec un cycle de charge fermé et la même tension, elle est toujours légèrement inférieure lors du déchargement que lors du chargement. Écart par rapport à l’élasticité complète, c’est-à-dire. la différence entre les expansions correspondantes aux mêmes contraintes est appelée hystérésis élastique. Si le cycle de charge est répété plus souvent, cela est obtenu à des tensions pas trop élevées - une boucle fermée d’hystérésis ou d’amortissement. Sl. 8 affiche les boucles d’amortissement pour différentes valeurs de charge CA. La largeur des boucles augmente fortement avec la hauteur de la tension. La surface de la boucle est proportionnelle au travail de déformation, qui est perdu à chaque cycle et transformé en chaleur. Aussi, les déformations sont variables non seulement avec la hauteur de la tension mais aussi avec le temps, elles dépendent de la vitesse et du mode de chargement. La partie de la déformation qui dépend du temps est appelée effet secondaire. L’hystérésis et les séquelles se produisent simultanément. En règle générale, ils n’ont aucune importance pratique pour les types d’acier de construction présents dans les structures en acier à température ambiante.

Sl. 8

Note d’application : Les désignations de matériaux historiques, les hypothèses, les diagrammes et les procédures contenus dans le texte ne doivent pas être utilisés comme substitut aux normes actuelles, aux caractéristiques spécifiques du produit, au modèle de calcul et à la vérification par des experts de la construction globale.