Introduction aux systèmes hybrides de béton en acier

Les systèmes de structure hybrides en béton acier combinent résistance à la traction et ductilité de l'acier avec résistance à la compression, à la masse et au feu du béton. Cette synergie permet aux concepteurs de créer des échelles plus longues, de réduire les charges de fondation et d'accélérer la construction par rapport aux cadres en béton armé pur ou en acier. Cependant, la performance de ces systèmes dépend fortement des liaisons qui transfèrent les forces entre les deux matériaux.

Les applications modernes comprennent des planchers composites dans des bâtiments de hauteur, des ponts composites en béton d'acier et des cadres hybrides de résistance du moment dans des zones sismiques. L'interface de raccordement – typiquement entre un faisceau d'acier et une dalle de béton, une colonne d'acier et un mur de béton, ou des plaques intégrées dans un élément de béton – doit permettre le transfert de charge, les tolérances de construction et l'exposition environnementale.

Les matériaux et le principe d'action composite

Propriétés de l'acier et du béton

L'acier offre un rapport résistance-poids élevé, une excellente ductilité et des propriétés uniformes du matériau. Il est sensible au flambage en compression et perd de la force à des températures élevées. Le béton fournit une résistance à la compression élevée, la rigidité et la masse thermique, mais a une faible résistance à la traction et est sensible au fluage et au rétrécissement.

Mécanisme d'action composite

Une action composite dans un faisceau de béton en acier se produit lorsque les deux matériaux agissent comme une seule unité. Sans une connexion de cisaillement adéquate, le faisceau d'acier et la dalle de béton se déformeraient indépendamment, réduisant ainsi la rigidité et la capacité de charge. Les forces de cisaillement horizontales se développent à l'interface, qui doivent être résistées par des connecteurs de cisaillement tels que des goujons, des canaux ou des boulons à haute résistance en cisaillement. La conception de ces connecteurs suit le principe selon lequel la force de cisaillement totale à l'état limite ultime égale la capacité de l'acier ou du béton, selon la plus petite des deux.

Types de connexions en acier dans les systèmes hybrides

Les raccords en acier dans les structures hybrides peuvent être classés par fonction de transfert de force primaire : moment, cisaillement ou axial. Chaque type a des exigences de détail distinctes et des modes de défaillance.

Connexions de minute

Dans les cadres hybrides, ils sont souvent utilisés aux joints de colonnes en acier à béton ou aux bases de colonnes en acier intégrées dans le béton. Un détail commun est l'utilisation d'un support en acier ou d'un stub renforcé soudé au faisceau d'acier et intégré dans la colonne en béton, avec des studs à tête supplémentaire pour le transfert du cisaillement. Une autre approche consiste à intégrer directement l'extrémité du poutre en acier dans la colonne en béton, exigeant le développement du moment complet en plastique de la section en acier. La Convention européenne pour l'acier de construction (ECCS) fournit des conseils de conception pour les joints résistant au moment dans les structures composites (voir SteelConstruction.info.

Design pour Ductility

Dans les régions sismiques, les connexions moment doivent présenter un comportement ductile pour dissiper l'énergie. La région de connexion doit être conçue de manière à ce que la production se fasse dans une zone contrôlée à l'écart des soudures fragiles ou de l'écrasement du béton.

Connexions de kear

Les raccords de cisaillement sont les détails d'interface les plus courants, utilisant généralement des goujons de cisaillement à tête soudées à la bride supérieure des poutres en acier et incorporés dans une dalle de béton. Les goujons résistent au cisaillement horizontal qui se développe à l'interface acier-béton en raison de la flexion. Le nombre, le diamètre et l'espacement des goujons sont déterminés par le degré d'action composite requis (pleine ou partielle).

Comportement de la tête

Les goujons à tête sont des connecteurs rigides ou flexibles selon leur rapport longueur-diamètre. Les goujons flexibles permettent un léger glissement, qui peut être bénéfique pour la redistribution des charges dans des conditions d'incendie. Les résultats d'essais de l'Université du Texas à Austin (voir Les structures d'ingénierie) indiquent que les goujons à plus gros diamètres de tête améliorent la résistance à l'arrachement, critique lorsque la dalle est sous cisaillement et tension combinés.

Connexions antidérapantes

Les raccords antidérapants (également appelés raccords à friction) sont utilisés pour réduire au minimum les mouvements relatifs entre l'acier et le béton, par exemple dans les poutres de pont sous charge de fatigue ou dans les poutres de grue. Ces raccords sont basés sur une force de serrage élevée des boulons préchargés (généralement fabriqués à partir d'acier à haute résistance) pour générer des frottements à l'interface. La surface du béton doit être rugueuse ou munie d'une clé de cisaillement pour atteindre le coefficient de frottement requis.

Considérations de conception pour les raccords en acier

Voie et capacité de transfert de charge

Chaque raccord doit transférer en toute sécurité les charges de conception sans dépasser les limites de résistance ou de fonctionnement. La trajectoire de charge doit être claire : les forces doivent s'écouler de l'élément béton à travers la connexion dans l'élément acier et vice versa. Par exemple, dans un raccord mural en acier, le moment de fin de faisceau doit être résisté par une zone de compression verticale à la bride inférieure et une zone de tension verticale à la bride supérieure (ou vice versa). Le béton doit avoir une résistance locale suffisante; autrement, une plaque de roulement ou un renfort doit être fourni. Les essais de décompression demeurent la référence pour l'évaluation de la capacité du connecteur, mais l'analyse des éléments finis non linéaires (FEA) est de plus en plus utilisée pour optimiser les détails (voir Journal of Constructional Steel Research.

Compatibilité et durabilité des matériaux

Dans des environnements agressifs, toutes les pièces d'acier doivent être galvanisées ou revêtues d'un système résistant à la corrosion. De plus, le revêtement en béton autour de l'acier intégré doit être conforme à l'ACI 318 (Prescriptions du Code de construction pour le béton structurel) pour protéger contre la corrosion et le feu. Pour les connexions qui seront post-tensionnées par des éléments d'acier, les tendons doivent être protégés de la corrosion à l'interface acier-béton à l'aide de conduits et de joints.

Constructibilité et tolérances

Les tolérances de construction doivent être coordonnées entre le fabricant de l'acier et l'entrepreneur en béton. L'utilisation de plaques de shim, de trous à fentes ou de boulons encastrés peut permettre d'effectuer des désalignements mineurs. Pour les projets à grande échelle, La modélisation des informations de construction (BIM) est recommandée pour détecter les affrontements et s'assurer que les détails de connexion sont réalisables (voir Norme nationale BIM[. La préfabrication des assemblages de connexion hors site peut améliorer le contrôle de qualité et réduire le soudage sur le terrain.

Résistance au feu

Dans les systèmes hybrides, la masse du béton peut fournir une certaine inertie thermique, mais les connecteurs en acier exposé nécessitent une protection contre le feu. Les solutions comprennent l'encaissement de la connexion dans les panneaux de protection contre le feu, l'application d'un revêtement intumescente ou l'utilisation de sections en acier remplies de béton (par exemple, tubes en acier remplis de béton). La résistance au feu des poutres composites avec connecteurs de cisaillement est étudiée dans les courbes de feu standard (ASTM E119 ou ISO 834), et les méthodes de conception sont fournies dans la norme EN 1994-1-2 (Eurocode 4: Conception de structures en acier composite et en béton – Partie 1-2: Règles générales – Conception de l'incendie structurel) et la section I4 de spécification AISC.

Détails et techniques de connexion communes

Cache-tête

Les goujons de cisaillement sont les connecteurs les plus économiques et les plus utilisés. Ils sont automatiquement soudés aux poutres en acier par un pistolet à soudure à goujons, qui contrôle le courant de soudage et la profondeur de plongée. La tête de goujons sert d'ancre pour résister aux forces de levage. Les goujons ont généralement un diamètre de 19 mm à 25 mm, avec des longueurs qui conviennent à la profondeur de la dalle.

Connexions boulonnées

Dans les structures hybrides, les boulons peuvent fixer un support en acier à un mur en béton à l'aide d'ancrages post-installés (par exemple Hilti HDA ou ancres chimiques). Pour les raccords de colonnes en acier à béton, une plaque d'acier moulée dans la colonne avec des boulons en saillie est un détail commun. Les boulons à haute résistance préchargés sont utilisés pour créer des joints à friction qui résistent aux glissements sous charges de service. La conception des raccords boulonnés suit AISC 360 ou EN 1993-1-8, avec des modifications pour le roulement en béton.

Plaques enrobées

Une plaque encastrée est une plaque en acier moulée à la surface du béton. Les poutres ou colonnes en acier sont ensuite reliées à la plaque par soudage ou boulonnage. La plaque transfère les forces par des goujons de position ou des boucles de rebar soudées à son dos. La longueur de la barre d'ancrage et la longueur de développement doivent être suffisantes pour résister au rendement ou au retrait. L'épaisseur de la plaque doit être suffisante pour éviter de céder sous les forces concentrées de la pièce en acier.

Tubes en acier à béton (CFST)

Les raccords entre les colonnes et les poutres en acier CFST utilisent des supports en acier, des diaphragmes en travers de la plaque ou des anneaux en béton continu. La conception doit garantir que le noyau en béton est correctement confiné à l'articulation pour transférer les forces sans broyer. Des études expérimentales de l'Université de Californie, San Diego (voir Journal of Constructional Steel Research) montrent que les raccords en travers de la plaque avec les poutres en écrou assurent un transfert de temps en plastique presque complet.

Codes et normes de conception

Aux États-Unis, la norme principale est AISC 360-22, complétée par AISC 341-22 pour les applications sismiques. L'American Concrete Institute fournit ACI 318-22 pour la conception du béton, y compris l'ancrage au béton (chapitre 17). Pour les poutres composites, le chapitre I de l'AISC 360 couvre la conception pour l'action composite. Les concepteurs européens suivent Eurocode 4 (EN 1994-1-1) pour les structures composites et EN 1992-1-1 pour le béton. La norme britannique BS 5950-3.1 (maintenant retirée mais toujours en cours d'utilisation) et la norme australienne AS 2327.1 sont d'autres références pertinentes. Ces codes précisent les capacités minimales de connecteur, les exigences de détail (par exemple, espacement minimal des goujons, revêtement en béton, distances de bord) et les facteurs de combinaison de charge.

Méthodes d'analyse et de conception avancées

Analyse non linéaire des éléments Finite

Pour les connexions complexes, en particulier celles avec géométrie ou charge non standard, FEA non linéaire est utilisé pour prédire les modes de défaillance. Les modèles intègrent la non-linéarité matérielle (fissuration par armature, plasticité en acier), l'interaction de contact entre l'acier et le béton, et la précharge de boulon. Un défi clé est de modéliser avec précision le comportement de glissement de liaison des connecteurs de cisaillement.

Étalonnage partiel du facteur de sécurité

Les méthodes basées sur la fiabilité, utilisant la simulation Monte Carlo, peuvent étalonner les facteurs de résistance pour les nouveaux types de raccordement.Cette approche tient compte de la variabilité des forces des matériaux, des tolérances de fabrication et des effets de charge.L'Institut national des normes et technologies (NIST) a publié des lignes directrices pour la conception des raccords en acier de structure en tenant compte des risques (voir NIST Technical Note 2061.

Études de cas et applications

Systèmes composites de planchers à haut débit

Dans les bâtiments comme le Burj Khalifa, les poutres en acier avec des goujons de cisaillement reliés à des dalles de béton forment des systèmes de pont composites. Les connexions permettent de longues travées (jusqu'à 15 m) avec une profondeur de plancher réduite. La conception des connexions de poutre à direction utilise des plaques d'extrémité ou des plaques d'extrémité avec des boulons à haute résistance en tension.

Pont composite Girders

Les ponts composites en béton acier multi-poutres, comme le pont Sutong en Chine, utilisent des milliers de goujons de cisaillement sur les brides supérieures des poutres en acier. Les goujons sont conçus pour la fatigue en utilisant la gamme de cisaillement élastique. Des inspections régulières des soudures de fixation de goujons sont nécessaires.

Tendances futures de la conception de connexions hybrides

L'industrie se dirige vers

Conception de connexion hybride

Les matériaux en question nécessitent de nouveaux types de connecteurs, tels que des goujons en acier à haute résistance avec des diamètres de tête plus grands et des diamètres de soudure plus grands. De plus, les raccords composites démontables sont de plus en plus intéressants pour la déconstruction et la réutilisation. La recherche sur les connecteurs démontables de cisaillement (par exemple, boulonnés avec des tampons en polymères) est en cours à l'Université de Cambridge (voir Cambridge Research Repository.

Connexions instrumentées intégrées aux capteurs

Les connexions intelligentes avec des jauges de contrainte embarquées, des capteurs à fibre optique ou des capteurs piézoélectriques peuvent permettre de surveiller en temps réel le transfert et l'usure de la charge. Cette approche de « surveillance de la santé structurelle » permet une maintenance basée sur l'état réel plutôt que sur des inspections programmées.

Conclusion

La conception de raccords en acier est un facteur essentiel pour la performance des systèmes structuraux hybrides en béton d'acier. Des joints à résistance de moment dans les grands bâtiments aux assemblages de goujons de cisaillement dans les ponts composites, la connexion doit transférer de manière fiable les forces tout en conciliant les incompatibilités de matériaux et les tolérances de construction. En exploitant les codes de conception tels que AISC 360, ACI 318, et Eurocode 4, et en utilisant des outils d'analyse avancés, les ingénieurs peuvent créer des connexions à la fois efficaces et robustes.