CYPE 3D. Systèmes sismorésistants selon la norme ANSI/AISC 341-10 et Assemblages préqualifiés selon ANSI/AISC 358-10 et ANSI/AISC 341-10

Systèmes sismorésistants selon la norme ANSI/AISC 341-10

CYPE 3D permet d'inclure, dans la conception des éléments structuraux en acier laminé et reconstitué soudé, les principales spécifications et demandes liées aux trois systèmes sismorésistants les plus répandus, définis par la norme américaine AISC 341-10 (Seismic Provisions for Structural Steel Buildings) :

Portiques résistants au moment
Portiques avec contreventements concentriques
Portiques avec contreventements excentriques

Le calcul, le dimensionnement et la vérification des Assemblages Préqualifiés sont également implémentés selon les normes ANSI/AISC 358-10 et ANSI/AISC 341-10. Le dimensionnement et la vérification des Assemblages Préqualifiés sont exposés en détail dans le paragraphe Assemblages préqualifiés selon ANSI/AISC 358-10 et ANSI/AISC 341-10. Ces assemblages sont appliqués aux systèmes sismorésistants formés par des « Portiques résistants au moment ».

Portiques résistants au moment

Les portiques non attachés ou les portiques résistants au moment sont des ensembles rectilignes de poutres et colonnes reliés entre eux au moyen de soudures, de boulons ou des deux. Les barres composant ces portiques sont soumises principalement à des moments fléchissant et à des efforts de cisaillement, qui contrôlent leur conception.

Les spécifications AISC 341-10 considèrent trois types de portiques résistants au moment, en accord avec le degré de comportement ductile qui est considéré dans la conception. La différence fondamentale entre ces trois types est qu’ils sont conçus avec différents niveaux de capacité de dissipation d’énergie :

Portiques résistants au moment ordinaires (OMF - Ordinary Moment Frames) (AISC 341-10, E1)
Portiques résistants au moment intermédiaires (IMF - Intermediate Moment Frames) (AISC 341-10, E2)
Portiques résistants au moment spéciaux (SMF - Special Moment Frames) (AISC 341-10, E3)

Portiques avec contreventements concentriques

Ce type de structure se caractérise parce que les axes centraux des éléments structurels composants sont coupés dans un point, formant ainsi une structure réticulée. C’est pour cela que les actions latérales induisent, principalement, des efforts axiaux dans les barres du portique contreventé.

Les spécifications AISC 341-10 considèrent deux catégories de portiques contreventés concentriquement en fonction du niveau d'effort attendu :

Portiques avec contreventements concentriques ordinaires (OCBF - Ordinary Concentrically Braced Frames) (AISC 341-10, F1)
Portiques avec contreventements concentriques spéciaux (SCBF - Special Concentrically Braced Frames) (AISC 341-10, F2)

Portiques avec contreventements excentriques

Dans les portiques avec contreventements excentriques, les forces axiales induites dans les entretoises sont transférées au moyen d'efforts de cisaillement et de flexion dans des segments de longueur réduite (e), appelés liaisons ou links, où l’énergie de fluage se dissipe dans l'acier. Les liaisons représentent des « fusibles structurels », lesquelles doivent être détaillés pour éviter que le flambage local ou d'autres phénomènes d'instabilité ne dégradent la réponse.

Les spécifications AISC 341-10 considèrent une seule catégorie de portiques avec contreventements excentriques :

Portiques avec contreventements excentriques spéciaux (EBF) (AISC 341-10, F3)

Attribution des systèmes sismorésistants dans CYPE 3D

L'attribution du système sismorésistant à une barre est effectuée par l'option ‘Système parasismique’ du menu ‘Barre’. Cette option sera seulement disponible si la norme de l'acier laminé choisi est ANSI/AISC 360-10.

L'attribution de systèmes sismorésistants aux barres est effectuée librement par l’utilisateur et selon ses critères. Elle doit être cohérente avec la géométrie du portique.

Les barres auxquelles les systèmes sismorésistants sont attribués doivent être en acier laminé ou reconstitué soudé et être définies comme éléments structuraux de type Générique, Poteau ou Poutre. Sa sélection peut être effectuée de manière individuelle ou multiple au moyen de fenêtres de capture.

Éléments structuraux génériques (contreventements)
Les barres du type ‘Générique’ sont celles qui vont être utilisées comme contreventements, c’est pourquoi il est seulement possible de leur attribuer des systèmes sismorésistants de type OCBF, SCBF ou EBF.
Éléments structuraux de type poteau
Il est possible d’attribuer un des systèmes sismorésistants indiqués (OMF, IMF, SMF, OCBF, SCBF ou EBF) aux barres de type Poteau, dans la direction des axes locaux « Y » et « Z ». Le système sismorésistant peut être différent dans chaque direction.

Après avoir vérifié les assemblages préqualifiés, et si le système sismorésistant choisi est du type IMF ou SMF, la hauteur de l’étage supérieur peut être indiquée pour la vérification de l’effort tranchant dans le panneau nodal. Elle peut être calculée par le logiciel ou indiquée par l'utilisateur. Il est aussi possible d'activer l'option ‘Vérifier comme assemblage sans support latéral dans la direction du portique séismique’, applicable à des unions de portiques du type SMF. La sous-section « Fonctionnement en CYPE 3D » comporte davantage d'informations sur ces deux options.
Éléments structuraux de type poutre
En choisissant comme élément l'option ‘Poutre’, il est possible d’attribuer chacun des systèmes sismorésistants indiqués (OMF, IMF, SMF, OCBF, SCBF ou EBF) aux barres de type poutre. En choisissant comme élément l'option ‘Liaison’, aucun type de système à attribuner n'apparaît, puisque les liaisons sont propres à des systèmes sismorésistants EBF, qui est celui attribué automatiquement.

Après avoir vérifié les assemblages préqualifiés, et si en choisissant comme élément l'option ‘Poutre’, il est possible d’indiquer si la portée libre de la poutre entre les faces des poteaux est calculée par le logiciel ou est indiquée par l'utilisateur. La sous-section « Fonctionnement dans CYPE 3D » comporte davantage d'informations sur cette option.

Vérifications effectuées

Les vérifications supplémentaires que CYPE 3D effectue sur les poteaux, les poutres et les contreventements que l'utilisateur classe comme systèmes sismorésistants sont présentées ci-dessous.

Exigence de résistance à la traction et à la compression de poteaux

Dans les poteaux, pour tous les systèmes sismorésistants, la résistance à la compression et à la traction est vérifiée sans tenir compte des moments et efforts tranchants agissant et pour des combinaisons sismiques spéciales de charges, c'est-à-dire celles dans lesquelles l'action sismique est amplifiée par le coefficient de sur-résistance (Ωo) associé au système.

Vérifications des Portiques résistants aux moments

Portiques résistants au moment ordinaires(OMF) (AISC 341-10, E1)
- Exigences d'analyse
  Les poteaux sont conçus selon les exigences de résistance à la traction et à la compression spécifiées dans la norme AISC 341-10, D1.4a(2).
Portiques résistants au moment intermédiaires (IMF - Intermediate Moment Frames) (AISC 341-10, E2)
Vérifications réalisées :
- Exigences d'analyse
  Les poteaux sont conçus selon les exigences de résistance à la traction et à la compression spécifiées dans la norme AISC 341-10, D1.4a(2).
- Support latéral dans les poutres (AISC 341-10, E2.4a)
  Les poutres doivent être conformes à la condition des sections à ductilité modérée, conformément à la section D1.2a de l'AISC 341-10. Cela implique le contrôle du déversement en torsion.
- Membres. Exigences de base (AISC 341-10, E2.5a)
  Les poutres et les poteaux doivent être conformes à la condition des sections à ductilité modérée, conformément à la section D1.1 de la norme AISC 341-10. Cela implique un contrôle du flambement local.
Portiques résistants au moment spéciaux (SMF - Special Moment Frames) (AISC 341-10, E3)
Vérifications réalisées :
- Exigences d'analyse
  Les poteaux sont conçus selon les exigences de résistance à la traction et à la compression spécifiées dans la norme AISC 341-10, D1.4a (2).
- Support latéral dans les poutres (AISC 341-10, E3.4b)
  Les poutres doivent être conformes à la condition des sections à haute ductilité, conformément à la section D1.2b de l'AISC 341-10. Cela implique le contrôle du déversement en torsion.
- Membres. Exigences de base (AISC 341-10, E3.5a)
  Les poutres et les poteaux doivent être conformes à la condition des sections à haute ductilité, conformément à la section D1.1 de la norme AISC 341-10. Cela implique un contrôle du flambage local.

Vérifications des Portiques avec contreventements concentriques

Ce type de structure se caractérise par le fait que les axes centraux des éléments structuraux se croisent en un point, formant ainsi une structure réticulée. Par conséquent, les actions latérales induisent principalement des efforts axiaux dans les barres du portique contreventé.

Les spécifications de la norme AISC 341-10 considèrent deux catégories de portiques contreventés concentriquement en fonction du niveau d’effort attendu. CYPE 3D effectue les vérifications suivantes pour chacun de ces types :

Portiques ordinaires avec contreventements concentriques (OCBF - Ordinary Concentrically Braced Frames) (AISC 341-10, F1 (2))
- Exigences d'analyse
  Les poteaux sont conçus selon les exigences de résistance à la traction et à la compression, spécifiées dans l'AISC 341-10, D1.4a.
- Élancement des contreventements (AISC 341-10, F1.5b)
  Les contreventements attribués aux systèmes de type ‘V’ ou ‘V inversé’ doivent respecter le rapport d'élancement :
Portiques spéciaux avec contreventements concentriques (SCBF - Special Concentrically Braced Frames) (AISC 341-10, F2)
- Exigences d'analyse (AISC 341-10, F2.3)
  Les poteaux et les poutres sont conçus pour des combinaisons sismiques spéciales de charges, c'est-à-dire celles dans lesquelles l'action sismique est amplifiée par le coefficient de sur-résistance (Ωo) associé au système. Ces combinaisons sont générées automatiquement par le logiciel.
- Support latéral dans les poutres (AISC 341-10, F2.4b)
  Les poutres doivent être conformes à la condition des sections à ductilité modérée, conformément à la section D1.2a de la norme AISC 341-10. Cela implique le contrôle du déversement en torsion.
- Membres. Exigences de base (AISC 341-10, F2.5a)
  Les poteaux et les contreventements doivent être conformes à la condition des sections à haute ductilité, conformément à la section D1.1 de la norme AISC 341-10. Les poutres doivent être conformes à la condition des sections à ductilité modérée, conformément à la section D1.1 de la norme AISC 341-10. Cela implique le contrôle du flambement local.
- Élancement des contreventements (AISC 341-10, F1.5b)
  Les contreventements attribués aux systèmes de type ‘V’ ou ‘V inversé’ doivent respecter le rapport d'élancement :

Vérifications des Portiques avec contreventements excentriques

Dans les portiques avec contreventements excentriques, les forces axiales induites dans les entretoises sont transférées au moyen d'efforts de cisaillement et de flexion dans des segments de longueur réduite (e), appelés liaisons ou links, où l’énergie de fluage se dissipe dans l'acier. Les liaisons représentent des « fusibles structurels », lesquelles doivent être détaillés pour éviter que le flambement local ou d'autres phénomènes d'instabilité ne dégradent la réponse.

Les spécifications de la norme AISC 341-10 considèrent une seule catégorie de portiques avec contreventements excentriques. CYPE 3D effectue les vérifications suivantes :

Portiques spéciaux avec contreventements excentriques (EBF) (AISC 341-10, F3)
- Exigences d'analyse (AISC 341-10, F3.3)
  Les poteaux, les contreventements et les poutres (en dehors de la liaison) sont conçus pour des combinaisons sismiques spéciales de charges, c'est-à-dire celles dans lesquelles l'action sismique est amplifiée par le coefficient de sur-résistance (Ωo) associé au système. Ces combinaisons sont générées automatiquement par le logiciel.
- Membres. Exigences de base (AISC 341-10, F3.5a)
  Les poteaux doivent être conformes à la condition des sections à haute ductilité, conformément à la section D1.1 de la norme AISC 341-10. Les contreventements et les poutres (à l'extérieur du lien) doivent être conformes à la condition des sections à ductilité modérée, conformément à la section D1.1 de la norme AISC 341-10. Cela implique un contrôle du flambement local.
- Membres. Exigences de base (AISC 341-10, F3.5b)
  Les liens doivent être conformes à la condition des sections à haute ductilité, conformément à la section D1.1 de la norme AISC 341-10. Cela implique un contrôle du flambement local.
- Limitations de la section de liaison (AISC 341-10, F3.5b (1))
  La section de liaison doit être conforme aux limitations de section spécifiées dans l'AISC 341-10, F3.5b (1).
- Résistance au cisaillement du lien (AISC 341-10, F3.5b (2))
  La résistance au cisaillement de la liaison est conçue pour respecter le plus défavorable des états limites suivants : capacité plastique de cisaillement dans l'âme et capacité plastique de flexion pour la section complète.
- Longueur du lien (AISC 341-10, F3.5b (3))
  La longueur du lien doit être conforme aux limitations de l'AISC 341-10, F3.5b (3).

Assemblages préqualifiés selon ANSI/AISC 358-10 et ANSI/AISC 341-10

À partir de la version 2018.a, le calcul, le dimensionnement et la vérification d'assemblages préqualifiés selon la norme ANSI/AISC 358-10 (Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications) et ANSI/AISC 341-10 (Seismic Provisions for Structural Steel Buildings) sont inclus dans CYPE 3D.

Les assemblages préqualifiés sont appliqués à des portiques sismorésistants non attachés, résistants au moment spéciaux (SMF) et intermédiaires (IMF), comme il est indiqué dans la norme ANSI/AISC 341-10.

Il est possible de définir des assemblages préqualifiés dans des projets qui suivent la norme d'acier laminé et reconstitué soudé ANSI/AISC 360-10.

Assemblages préqualifiés implémentés

4E four-bolt unstiffened
4ES four-bolt stiffened
8ES eight-bolt stiffened

Nœuds avec interaction entre différentes poutres

Les assemblages préqualifiés poteau-poutre implémentées peuvent faire partie d'un nœud avec des interactions avec d'autres poutres, qui peuvent être des assemblages préqualifiés ou non. Par exemple :

Assemblages préqualifiés 4E au bord du poteau et assemblage par encastrement à l'âme du poteau et à la plaque frontale ordinaire.
Assemblages préqualifiés 8ES aux bords du poteau et assemblage articulé par plaque latérale à l'âme du poteau.

Vérifications et plans

En plus des vérifications qui doivent être faites dans l'assemblage selon la norme d'acier laminé ANSI/AISC 360-10, les vérifications spécifiques des normes ANSI/AISC 341-10 et ANSI/AISC 358-10 seront effectuées. Dans la liste des vérifications, le chapitre de la norme qui rassemble chaque vérification est visible.

Fonctionnement dans CYPE 3D

Pour que CYPE 3D effectue le calcul, le dimensionnement et la vérification d'assemblages préqualifiés poteaux et poutres, il faut :

La norme de l’acier laminé doit être ANSI/AISC 360-10.
Les barres qui arrivent aux nœuds doivent être de type poteau et poutre.
Les barres qui arrivent aux nœuds doivent avoir d’attribuer la vérification comme partie d’un système sismorésistant SMF et IMF.

Quand un système sismorésistant est attribué a des poutres et des poteaux, il est aussi possible de :

Définir la hauteur de l’étage supérieur pour la vérification du cisaillement dans le panneau nodal
Ce paramètre peut être calculé par le logiciel ou être établi par l'utilisateur. Il est utilisé pour calculer les efforts tranchants du poteau supérieur qui affecteraient la vérification des efforts tranchants dans le panneau nodal.
Vérifier l’assemblage sans support latéral dans la direction du portique sismique
L'utilisateur peut choisir entre effectuer cette vérification ou ne pas l'effectuer suivant les contreventements qui pourraient comporter les éléments de l'assemblage. Cette vérification est seulement effectuée pour des portiques SMF.
La portée libre de la poutre entre les faces des poteaux
Valeur nécessaire pour calculer le moment dans la face du poteau, cette valeur peut être calculée par le logiciel ou être établie par l'utilisateur.