Présentation

Les raccords en acier qui supportent ces éléments de projection doivent être conçus avec un soin exceptionnel car l'ensemble du parcours de charge dépend de l'intégrité d'une seule ligne de support. Contrairement aux poutres simplement supportées qui ont plusieurs points de réaction, un cantilever s'appuie entièrement sur sa connexion fixe pour transférer des moments de flexion, des forces de cisaillement et des charges torsionnelles dans le support. Une défaillance dans ces détails de connexion peut entraîner un effondrement catastrophique, rendant leur conception appropriée non seulement une question de performance mais de sécurité publique.

Cet article présente un aperçu complet des détails de raccordement en acier spécialement adaptés aux structures de cantilever et aux surplombs. Il couvre les types de raccordement, les mécanismes de transfert de charge, les considérations de conception, les pratiques de détail et les exigences de code.

Comportement fondamental des connexions Cantilever

Toute connexion en acier qui supporte un cantilever doit résister à trois actions primaires : cisaillement vertical, moment de flexion et, selon la géométrie, fonction de la torsion. La demande de moment au support est le produit de la longueur du cantilever et de la charge appliquée (y compris l'autopoids). Comme le moment est le plus élevé à l'extrémité fixe, la connexion doit être conçue pour transférer ce moment sans rotation ou rendement excessif.

Mécanismes de transfert de temps

Le mouvement est transféré par la connexion en développant des forces de traction et de compression sur les côtés opposés de l'axe neutre des éléments de connexion. Dans un moment boulonné, cela est obtenu en fournissant des boulons sur les brides de tension et de compression ainsi que des boulons de cisaillement dans le web. Les connexions soudées transfèrent le moment par des soudures de rainure à pleine pénétration aux brides et aux soudures de filet sur le web, créant ainsi un chemin de charge continu.

Types de structures de cantilever et leurs exigences de connexion

Différentes applications de cantilever imposent des exigences distinctes sur les connexions:

  • Balconies et Canopies:[ En général projeter à partir de murs ou de colonnes, nécessitant des connexions moment qui résistent également à l'élévation de la liquidation et des charges réelles. L'intégration esthétique est souvent importante, de sorte que les connexions cachées ou semi-concelées peuvent être spécifiées.
  • Girdes à cycle variable dans les ponts:[ Porter de lourdes charges de véhicules et des cycles de fatigue dynamiques. Les connexions doivent être conçues pour une fatigue à cycle élevé et souvent utiliser des boulons à haute résistance préchargés dans les assemblages à friction-goutte.
  • Surplombs de toit:[ Légèrement chargés mais soumis à des charges de neige, de vent et d'entretien occasionnel. Les connexions peuvent être plus simples mais doivent toujours fournir un transfert de temps fiable pour empêcher une déflexion excessive.
  • Signage extérieur et éclairage:[ Petits cantiles à charges concentrées. Les connexions sont souvent personnalisées avec des raidisseurs pour éviter les flambements locaux en cours de moment.

Charges et forces dans la conception de la connexion Cantilever

Une analyse approfondie de la charge constitue la première étape de la conception de la connexion. Les charges suivantes doivent être considérées, souvent en combinaison avec les prescriptions du code du bâtiment (par exemple, ASCE 7 aux États-Unis):

  • Charges mortes:[ Poids propre de l'élément en acier, revêtement et tous les accessoires permanents.
  • Charges en mouvement: Charges d'occupation, neige, pluie ou équipement mobile.
  • Charges de vent:[ Pressions de levage et pressions latérales, particulièrement importantes pour les canopées et les surplombs ouverts.
  • Charges sismiques:[ Dans les zones sismiques, les connexions doivent répondre aux exigences de ductilité de la structure. Les connexions de minute peuvent devoir être conçues dans le cadre d'un cadre de moment spécial (SMF).
  • Effets thermiques: Les changements de température provoquent une expansion et une contraction, induisant des forces dans les connexions restreintes.

Toutes les combinaisons de charges sont appliquées pour déterminer le moment maximal factorisé (M u) et le cisaillement factorisé (V u) à la face de connexion. Ces valeurs conduisent à la sélection et au dosage des boulons, soudures, plaques et raidisseurs.

Types de raccordement en acier pour les contre-plaques

Connexions de minute

Les connexions de minute sont les plus courantes pour les cantileurs car elles fournissent la contrainte de rotation nécessaire.

  • Raccordements de temps à glissière:[ Les plaques sont soudées ou boulonnées aux brides du faisceau de cantilever et à la colonne de support. Il s'agit d'un détail simple pour transférer le moment par des forces axiales dans les brides.
  • Raccordement final étendu :[ Une plaque épaisse est soudée perpendiculairement à l'extrémité du faisceau de cantilever, puis boulonnée à la colonne ou au mur de support. Les boulons sont placés à l'extérieur de la profondeur du faisceau pour créer un bras de levier plus grand, augmentant la résistance au moment.
  • Soudage des connexions de temps:[ Les soudures de rainure à pleine pénétration relient les brides de faisceau directement à la bride de colonne, tandis que la toile est soudée par filetage ou boulonnée à un tabulaire de cisaillement. Ce détail est rigide et efficace pour les charges lourdes.

Connexions de kear

Pour les cantilleurs, les connexions de cisaillement sont utilisées principalement aux points où le moment est théoriquement zéro (par exemple, aux supports intérieurs des poutres continues) ou dans le cadre d'une connexion hybride où le cisaillement est transféré indépendamment. Les connexions de cisaillement communes comprennent:

  • Onglets de support: Une plaque verticale soudée à la partie de support et boulonnée à la bande de faisceau.
  • Filations à double angle:[ Deux angles boulonnés ou soudés au faisceau et au support.
  • Raccords encastrés:[ Angle de siège raidi ou non incliné qui supporte la bride inférieure, avec un angle supérieur pour la stabilité latérale.

Connexions Pinnées

Les connexions à broches permettent intentionnellement la rotation. Elles sont rarement utilisées comme support unique pour un cantilever car toute rotation au support provoquerait une déviation significative de l'extrémité du cantilever. Cependant, les connexions à broches apparaissent dans les plaques de base articulées de colonnes cantilever ou dans les structures temporaires où un mouvement contrôlé est nécessaire. En travail permanent, si une connexion à broches est utilisée au support cantilever, le surplomb doit être conçu comme un faisceau avec un moment de relâchement, ce qui en fait une simple portée supportée avec une extrémité libre, ce qui n'est pas un vrai cantilever.

Détails de connexion en profondeur

Connexions de plaques d'extrémité

Les raccords de la plaque d'extrémité sont largement utilisés pour les poutres de cantilever fixées aux colonnes ou aux murs. La plaque est soudée à l'extrémité de la poutre avec une soudure à rainure pleine pénétration ou une combinaison de soudures de filet. L'épaisseur de la plaque est déterminée pour éviter toute action de pignon dans les boulons sous des forces de traction. Pour les plaques d'extrémité mince, les tendeurs[ sont souvent ajoutés pour augmenter la rigidité et réduire la prayage de boulons. Le cercle de boulons doit être disposé pour maximiser le bras du levier et minimiser le nombre de boulons nécessaires.

Connexions de plaques de base pour colonnes Cantilever

Lorsqu'une colonne se projette vers le haut comme une cantilever à partir d'une fondation, la connexion de la plaque de base doit résister au moment de retournement et au cisaillement. Les plaques de base sont généralement dimensionnées pour répartir les forces de la bride de la colonne dans le béton, en utilisant des tiges d'ancrage pour développer la tension sur le côté de montée. L'épaisseur de la plaque de base est régie par la contrainte de roulement sous le côté de compression et la flexion dans la plaque en raison de la tension de la tige d'ancrage.

Connexions moment boulonnées avec des étincelants

Lorsque des moments lourds doivent être transférés avec des raccords boulonnés, les raidisseurs deviennent essentiels. Ces raidisseurs de connecteur (souvent appelés plaques de continuité) sont placés sur le support en face des brides de cantilever. Dans une colonne, les raidisseurs s'alignent avec les brides de tension et de compression du faisceau connecté pour empêcher la flexion ou la flexion du bandeau de colonne.

Connexions Cantilever soudées

Pour le plus grand moment, les soudures à rainure de pénétration des joints (CJP) sont utilisées aux brides, et les soudures de filetage sont utilisées sur le réseau. Le métal de soudure doit correspondre ou dépasser la résistance du métal de base. Les trous d'accès de soudure sont fournis dans le réseau de faisceau pour permettre le soudage à travers les brides et pour réduire les concentrations de contrainte.

Connexions de Cantilever sur plaque de Flitch

Dans les cantilevers hybrides en acier-bois ou en acier-béton, les plaques de paquetage, les plaques d'acier minces entre les éléments en bois ou en béton, transfèrent le cisaillement et le moment du cantile à l'appui latéral. La plaque d'acier est souvent étendue au-delà du support et boulonnée ou bouillie.

Considérations de conception propres aux cantiles

Fatigue et chargement cyclique

Les cantileurs qui supportent les charges mobiles (p. ex., les poutres de grue, les poutres de pont) sont susceptibles de la fatigue à la connexion. Les catégories détaillées de AISC 360 ou Eurocode 3 doivent être vérifiées. Les connexions soudées ont généralement une résistance à la fatigue inférieure à celle des connexions boulonnées; par conséquent, pour les applications à cycle élevé, les connexions à moment boulonné avec des boulons préchargés en état critique de glissement sont préférées.

Protection contre la corrosion

Les systèmes de peinture conformes aux normes SSPC sont appliqués après soudage et broyage. La corrosion de la crévasse peut se produire aux connexions boulonnées où l'humidité est piégée; par conséquent, les rondelles d'étanchéité ou le scellant entre les surfaces de faiing est conseillé.

Constructibilité et tolérances d'érection

Les connexions Cantilever sont souvent érigées en hauteur, nécessitant une planification minutieuse pour l'accès et l'alignement. Les connexions de minute avec de nombreux boulons sont difficiles à installer si les tolérances de forage normales sont trop serrées. L'utilisation de trous à courte fente dans un élément peut faciliter l'alignement sans réduire indûment la résistance.

Considérations esthétiques

Dans les aciéries architecturales, la connexion peut être laissée exposée. Des lignes propres, des motifs de boulons symétriques et des plaques de gousset minimales améliorent l'attrait visuel. Les connexions à cliquet utilisant des clous à clous ou des inserts filetés peuvent être spécifiées pour les balcons où l'acier de support doit être caché.

Méthodes d'analyse pour les connexions Cantilever

On peut utiliser des calculs à la main basés sur la méthode élastique (conception équilibrée) ou la conception plastique plus économique. La méthode composante, qui est la première méthode d'Eurocode 3, divise la connexion en composants individuels (ligne de boulon en tension, bande de colonne en compression, plaque d'extrémité en flexion, etc.) et les assemble en modèle à ressort pour déterminer la rigidité et la résistance. L'analyse des éléments Finite (FEA) est de plus en plus utilisée pour des géométries complexes, permettant une modélisation détaillée de la prétension du boulon, de la forme de soudure et du comportement non linéaire du matériau.

Meilleures pratiques de fabrication et d'érection

L'installation d'un raccord à un moment est critique : les trous aux brides doivent être minimes pour éviter d'introduire des excentricités. Les étamines peuvent être utilisées mais doivent être soigneusement conçues pour maintenir la prétension des boulons. Les séquences de soudage doivent minimiser la distorsion; par exemple, le soudage du centre vers l'extérieur et l'alternance entre les brides.

Avant l'érection, le faisceau de cantilever doit être cambré si la déformation de charge morte est significative. L'excentricité de la connexion doit être considérée : si la connexion n'est pas centrée sur le support, les effets P-delta amplifient le moment.

Inspection et entretien

Tous les raccords soudés doivent subir des essais non destructifs (NDT) - essais de particules ultrasoniques ou magnétiques pour les soudures de rainure, et inspection visuelle et teinture pénétrante pour les soudures de filetage. Les raccords boulonnés dans les joints critiques à glissement doivent être vérifiés par couple.

Codes et normes applicables

En Amérique du Nord, les références principales sont AISC 360-22 (Spécification pour les bâtiments en acier de construction) et les dispositions sismiques de l'AISC (AISC 341) pour les cadres de temps sismique. Les spécifications du RCSC (Conseil de recherche sur les liaisons structurelles) régissent l'utilisation des boulons.

Étude de cas : une connexion typique de Balcon Cantilever

Considérez un balcon à cantilever de 3 mètres, en forme de faisceau W310×52. Le moment de support est de 250 kN·m, et le cisaillement en fonction est de 80 kN. Une connexion à point de la plaque d'extrémité boulonnée est sélectionnée. Une plaque d'extrémité étendue d'acier de qualité 350, épaisseur 25 mm, est soudée à l'extrémité du faisceau avec des soudures de rainure CJP aux brides et des soudures de filet double face à la toile. Quatre boulons de 24 mm de diamètre A325 en deux rangées (ligne extérieure 300 mm du centre du faisceau, rangée intérieure 100 mm du centre) assurent la résistance à la tension. La bride de colonne est renforcée par des plaques de continuité en face des brides du faisceau. Des tendeurs sont ajoutés sur la plaque d'extrémité entre les rangées de boulons pour réduire l'action de prying. La connexion est analysée par les procédures manuelles AISC, et la tension de boulon de la force de prying est vérifiée.

Conclusion

Les détails de raccordement en acier pour les structures et les surplombs de cantilever exigent une attention particulière à la trajectoire de charge, au détail, à la fabrication et à l'installation. Le choix du type de raccordement – que ce soit en résisteant au moment, en cisaillement ou en scellant – dépend des exigences spécifiques de la structure, y compris l'ampleur des forces, l'exposition à la fatigue, l'environnement de corrosion et les exigences esthétiques.