Analyses expérimentale et numérique du comportement de poutres à ouvertures d'âmes raidies

Experimental and numerical analyses of the behaviour of beams with stiffened web openings

• Auteur / Autrice : Taher Al-Dafafea
• Direction : Abdelhamid Bouchaïr
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 06/07/2018
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Daudeville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Durif, Liviu Adrian Ciutina, Fabienne Pennec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelouahab Khelil, Fatima-Zohra Mimoune

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Poutres métalliques

Mots clés libres

Poutres cellulaires

Études numériques

Essais à échelle 1

Flexion Vierendeel

Voilement local

Modèle analytique

Classification des sections

Raidisseurs

Cellular beams

Numerical studies

Large scale tests

Vierendeel bending

Local buckling

Analytical model

Section classification

Stiffeners

Résumé

La présente thèse vise à caractériser le comportement mécanique à la ruine de poutres métalliques avec ouvertures, de formes et de tailles variables, renforcées ou non par raidisseurs. L’étude s’intéresse à des poutres de dimensions réalistes et s’appuie sur une combinaison de différentes approches : essais, modèles éléments finis et modèles analytiques. Les raidisseurs sont généralement utilisés pour corriger certaines faiblesses au niveau du comportement mécanique autour des ouvertures. Autour des ouvertures rectangulaires, ces raidisseurs, disposés verticalement ou horizontalement, ont fait l’objet de peu d’études scientifiques publiées. Généralement, le comportement des poutres à ouvertures d’âmes est considéré comme étant similaire à celui d’une poutre échelle (ou poutre Vierendeel) chargée aux noeuds. Cette hypothèse permet de considérer que les membrures de l’ouverture sont soumises à un moment fléchissant local bi-triangulaire sur la longueur de l’ouverture. Cependant, la distribution du moment fléchissant, et de ses contraintes axiales, le long d’une membrure peut s’avérer être plus complexe et dépend de la forme de l’ouverture (rectangulaire, hexagonale, circulaire, sinusoïdale ou quelconque), de la position de l’ouverture le long de la poutre et enfin, du type de chargement (concentré ou uniformément réparti). Plusieurs études numériques et expérimentales ont déjà été menées sur les poutres à ouvertures d’âmes et ont permis de développer différentes approches analytiques en vue de décrire leurs comportements. Cependant, ces modèles montrent certaines imprécisions ou insuffisances pour différents types et dimensions d’ouvertures notamment les ouvertures rectangulaires. Les travaux présentés dans cette thèse font le point sur les principaux modèles existants de calcul de résistance des poutres avec ouvertures d’âmes. Ils présentent notamment leurs avantages et limites. Pour conforter les descriptions basées sur les analyses bibliographiques, une campagne expérimentale est réalisée pour valider un modèle éléments finis développé dans le cadre de l’étude. Les essais s’appuient sur des tronçons de poutres de dimensions réalistes avec différentes configurations d’ouvertures isolées renforcées ou non par des raidisseurs. Les mesures autour de l’ouverture utilisent des jauges de déformation pour analyser le profil des contraintes et son évolution, au cours du chargement, dans différentes sections critiques. Les essais sont menés jusqu’à la ruine qui s’est développée généralement par une combinaison de comportement élasto-plastique et d’instabilité locale autour des ouvertures. Certaines ruines se sont produites par rupture en traction-cisaillement de l’acier dans des zones critiques. Les analyses numériques et expérimentales ont permis d’étudier l’influence de différentes conditions sur la distribution des contraintes, notamment axiales, au sein d’une membrure d’ouverture, en vue d’évaluer son potentiel de voilement local qui reste un phénomène complexe à appréhender. Elles ont permis aussi de comprendre le fonctionnement mécanique des ouvertures renforcées par des raidisseurs de différentes dimensions et positions. L’étude paramétrique menée, en utilisant le modèle éléments finis validé par essai, a permis d’évaluer la pertinence des hypothèses retenues dans les approches analytiques existantes. Ces analyses ont permis aussi de proposer un modèle analytique tenant compte du comportement d’ouvertures isolées avec ou sans raidisseurs.

The present thesis aims to characterize the mechanical behavior to failure of steel beams with openings, with variable shapes and sizes, reinforced or not by stiffeners. The study considers beams of realistic dimensions and combines different approaches: tests, finite element models and analytical models. The stiffeners are generally used to improve some weaknesses in the mechanical behavior around the openings. Around rectangular openings, these stiffeners, in vertical or horizontal arrangements, have been the subject of limited number of scientific publications. In general, the behavior of beams with web openings is considered similar to that of Vierendeel beams with loads applied at the nodes. This hypothesis allows to consider that each frame around the opening is characterized by a bi-triangular local bending moment along the frame elements. In fact, the bending moment distribution, and their resultant axial stresses, along a frame can be more complex and depends on the shape of the opening (rectangular, hexagonal, circular, sinusoidal or any), the position of the opening along the beam and finally, the type of loading (concentrated or uniformly distributed). Several numerical and experimental studies have been conducted on the beams with web openings and different analytical approaches have been developed to describe and predict the behavior of these beams. However, these models show some inaccuracies or inadequacies depending on the types and dimensions of openings including rectangular openings. The work presented in this thesis examines the main existing models predicting the resistance for beams with web openings. It shows their advantages and limits based on the existing but limited results. To obtain additional and specific results to be used in the comparisons and to validate a finite element model developed within the framework of the study, an experimental campaign is carried out. The tests are focused on beams of real dimensions with different configurations of isolated openings reinforced or not by stiffeners. The measurements around the opening use strain gauges to analyze the stress profile and its evolution, during loading, in different critical sections. The tests are carried out until failure generally characterized by a combination of elastic-plastic behavior and local instability around openings. Some final failures occurred by tensile-shear fracture of steel in some critical zones. Numerical and experimental analyzes are performed to study the influence of various conditions on the stresses distributions, in particular axial stresses, within the frames around the openings. The stress distribution is mainly observed to evaluate the local buckling potential that remains a complex phenomenon difficult to predict. The results are also analyzed to understand the mechanical behavior of the openings reinforced by stiffeners of different dimensions and positions. The parametric study conducted using the validated finite element model allows evaluating the relevance of the assumptions considered in the existing analytical approaches. These analyzes made it possible to propose an analytical model taking into-account the behavior of isolated openings with or without stiffeners.