Table of Contents

Comprendre les calculs de la capacité de charge avec les facteurs de sécurité du code ACI

Pour la sécurité structurelle et le respect des normes modernes de construction, il est essentiel de comprendre comment calculer les capacités de charge avec des facteurs de sécurité conformes au code ACI. Ce processus complet consiste à appliquer des facteurs de sécurité spécifiques pour garantir que le béton et le renforcement peuvent résister sans défaillance aux charges attendues. Le code ACI 318 fournit des exigences minimales pour les matériaux, la conception et le détail des bâtiments en béton structural et couvre la conception et la construction pour la résistance, la facilité d'utilisation et la durabilité, y compris les combinaisons de charges, les facteurs de charge et les facteurs de réduction de résistance.

Le calcul des capacités de charge est un aspect fondamental de l'ingénierie structurelle qui a une incidence directe sur la sécurité, la fiabilité et l'économie des structures en béton.Les ingénieurs doivent se conformer à un cadre complexe de dispositions de conception, de propriétés des matériaux et de considérations de sécurité pour s'assurer que les structures fonctionnent correctement dans toutes les conditions de chargement prévues.

Concepts fondamentaux de la capacité de charge dans la conception structurelle

Qu'est-ce que la capacité de charge?

La capacité de charge d'un élément structural représente la charge maximale qu'il peut supporter en toute sécurité sans subir de défaillance ou de déformation inacceptable.Cette capacité dépend de plusieurs facteurs, notamment les propriétés du matériau, les dimensions géométriques, la configuration du renforcement et le type de charge appliquée. Le code ACI fournit des lignes directrices détaillées pour déterminer cette capacité en tenant compte des forces du matériau et en appliquant des facteurs de sécurité appropriés pour tenir compte des incertitudes dans le processus de conception et de construction.

Les calculs de la capacité de charge doivent porter sur divers modes de défaillance, notamment la rupture flexionnelle, la rupture de cisaillement, la rupture de compression et les scénarios de charge combinés.

La philosophie derrière les facteurs de sécurité

Par la suite, un facteur partiel de la méthode de sécurité a été élaboré, qui comprend des facteurs de charge qui amplifient chaque composante de charge (mort, vivant, vent, neige, tremblement de terre, etc.), qui tiennent compte des incertitudes qui y sont associées et le facteur de résistance (ou facteur de réduction de la résistance) qui tient compte des incertitudes liées à la capacité de charge.

L'approche moderne utilisée dans ACI 318 est basée sur la conception des facteurs de charge et de résistance (LRFD), qui fournit une méthode plus rationnelle et raffinée pour assurer la sécurité structurelle. ACI 318 adopte désormais exclusivement la méthode de conception de la résistance pour la conception du béton et inclut les combinaisons de la résistance de la conception de la charge qui sont compatibles avec celles de l'IRB et de l'ASCE 7.

La force de conception par rapport à la force nominale

Une distinction critique dans les calculs du code ACI est la différence entre la résistance nominale et la résistance de conception. La résistance nominale est généralement calculée à l'aide de méthodes analytiques acceptées basées sur des statistiques et l'équilibre.

La résistance nominale est obtenue en multipliant la résistance nominale par un facteur de réduction de la résistance (facteur φ). Afin de tenir compte du degré de précision dans lequel la résistance nominale peut être calculée et pour des variations défavorables des matériaux et des dimensions, un facteur de réduction de la résistance Phi doit être utilisé dans la méthode de conception de la résistance.

Conception Résistance = φ × Résistance nominale

En principe, toutes les structures/éléments structuraux doivent posséder des forces de conception à toutes les sections au moins égales aux forces requises calculées pour les charges et forces factorisées en combinaison.

Comprendre les facteurs de réduction de la force (facteurs de chi)

Objet et application des facteurs de Phi

Outre les facteurs de charge, le code ACI spécifie un autre facteur permettant une réserve supplémentaire dans la capacité de l'élément structural. La méthode de conception est généralement appelée "facteur de charge et de résistance" conception. Le facteur de réduction de résistance (phi) est un facteur de résistance, et pas exactement un facteur de sécurité. Le facteur de résistance reflète les propriétés du matériau. Il est multiplié par la résistance calculée (résistance) fournie par l'élément pour déterminer la résistance de conception (nominale).

L'ACI n'utilise pas de facteurs matériels individuels comme l'Eurocode ou les codes britanniques. Il utilise un facteur global de réduction de capacité pour refléter la variation globale de toutes les propriétés matérielles.

Facteurs de Phi pour différentes conditions de chargement

Le code ACI spécifie différents facteurs de réduction de la résistance selon le type de charge et le mode de rupture. Les facteurs de réduction de la résistance λ utilisés dans la conception sont indiqués dans le tableau 21.2.1 de l'ACI. Le facteur de réduction de la résistance λ indiqué dans la section a) du tableau 21.2.1, pour un moment, une force axiale ou une force axiale combinée, sont donnés dans le tableau 21.2.2 de l'ACI.

Les facteurs phi communs selon ACI 318 comprennent:

  • Flexure sans charge axiale (sections contrôlées par la tension): λ = 0,90
  • Tension axiale ou tension axiale avec flexion: λ = 0,90
  • Tête et torsion:[ λ = 0,75
  • Compression axiale avec renforcement en spirale: λ = 0,70 à 0,75
  • Compression axiale avec renforcement lié: λ = 0,65
  • Pâtissage sur béton: λ = 0,65

Un facteur supérieur λ est utilisé pour les sections à commande de tension que pour les sections à commande de compression, car les sections à commande de tension ont plus de ductilité. Les colonnes avec renforcement en spirale se voient attribuer un facteur λ plus élevé que les colonnes avec d'autres types de renforcement transversal, car les colonnes en spirale ont une plus grande ductilité.

Transition entre la tension et le contrôle de compression

La contrainte de béton dans la compression extrême est égale à la limite de déformation supposée de 0,003. La souche de traction nette εt est la souche de traction calculée dans le renforcement de tension extrême à la résistance nominale, et elle est déterminée à partir d'une distribution linéaire à la résistance nominale.

Pour les sections qui tombent entre le contrôle de tension pur et le contrôle de compression pur, le facteur phi varie linéairement en fonction de la tension nette dans le renforcement de tension extrême. Cette zone de transition assure une gradation en douceur des facteurs de sécurité qui reflète les caractéristiques changeantes de ductilité de la section, car elle passe du comportement dominé par la tension à celui dominé par la compression.

Évolution récente des facteurs de Phi

Les analyses de fiabilité ont fourni une base rationnelle pour l'augmentation du facteur de réduction de la résistance (phi) de l'ACI 318 pour un moment et une force axiale en 2002 (contrôlé par la tension) et 2008 (compression contrôlée par des spirales), ce qui a permis de concevoir plus efficacement les structures en béton.

Cependant, une amélioration correspondante du facteur de réduction de la résistance au cisaillement n'a pas été justifiable pendant cette période en raison des préoccupations fondées quant au niveau de sécurité associé aux expressions de résistance au cisaillement unidirectionnel ACI 318 – en particulier pour les poutres et les dalles de grande taille et légèrement renforcées – qui ont été introduites en 1963.

Facteurs de charge et combinaisons de charges

Comprendre les facteurs de charge

Les facteurs de charge sont des multiplicateurs appliqués aux charges de service pour tenir compte des incertitudes quant à l'ampleur, à la répartition et à la combinaison des charges. Les facteurs de charge sont multipliés par des charges requises par code pour déterminer la résistance minimale requise pour chaque combinaison de charges.

Les facteurs de charge courants dans ACI 318 comprennent:

  • Charge en souffrance (D): Généralement 1,2 ou 1,4 selon la combinaison de charges
  • Charge en mouvement (L):[ Typiquement 1,6 ou 0,5 selon la combinaison
  • Charge de vent (W): Généralement 1,0 dans les combinaisons de résistance
  • Charge sismique (E):[ Généralement 1,0 dans les combinaisons de résistance
  • Charge de neige (S): Variables basées sur la combinaison

Combinaisons de charge de base

La force requise (U) doit être au moins égale aux effets des charges factorielles dans les équations 9-1 à 9-7. Les combinaisons de charges fondamentales spécifiées dans l'ACI 318 comprennent:

  • U = 1,4D - Charge morte seulement
  • U = 1,2D + 1,6L + 0,5(Lr ou S ou R) - Mort plus charge réelle
  • U = 1,2D + 1,6(Lr ou S ou R) + (1,0L ou 0,5W) - Mort plus charge de toit ou de neige
  • U = 1,2D + 1,0W + 1,0L + 0,5(Lr ou S ou R) - Mort plus vent
  • U = 1,2D + 1,0E + 1,0L + 0,2S - Mort plus sismique
  • U = 0,9D + 1,0W - Mort minimum et vent (pour le soulèvement/revirement)
  • U = 0,9D + 1,0E - Mort minimum et sismique (pour le soulèvement/revirement)

Ces combinaisons permettent de s'assurer que les structures sont conçues pour résister aux scénarios de charge les plus critiques qui peuvent se produire pendant leur durée de vie.

Considérations particulières concernant les combinaisons de charges

Le facteur sur « L » dans les équations ACI 318-14 (5.3.1c), (5.3.1d) et (5.3.1e) sera égal à 0,5 pour le chargement en direct (réduit), 1,0 pour le chargement en direct (inréduit), 1,0 pour le chargement en direct (stockage) et 1,0 pour le chargement en direct (parking). Cette distinction reconnaît que certains types de chargement en direct sont plus prévisibles et moins variables que d'autres.

Pour les structures situées dans des régions à forte sismique ou soumises à des conditions de chargement particulières, des combinaisons de charges et des facteurs supplémentaires peuvent s'appliquer. Les ingénieurs doivent consulter les dispositions spécifiques du code ACI et des codes locaux de construction pour s'assurer que toutes les combinaisons de charges applicables sont prises en considération.

Processus de calcul étape par étape pour la capacité de charge

Étape 1: Déterminer les propriétés du matériau et la géométrie de la section

La première étape du calcul de la capacité de charge consiste à établir les propriétés du matériau et les caractéristiques géométriques de l'élément structural, notamment:

  • Résistance à la compression en béton (f'c): Résistance à la compression de 28 jours spécifiée
  • Résistance à l'élasticité du renforcement (fy): Résistance à l'élasticité spécifiée de l'acier de renforcement
  • Dimensions de la section:[ Largeur, profondeur, profondeur effective, exigences de couverture
  • Configuration de la force:[ Surface en acier, espacement, emplacement
  • Modules d'élasticité:[ pour le béton et l'acier

Ces propriétés constituent la base de tous les calculs ultérieurs et doivent être déterminées avec précision en fonction des spécifications de conception et des normes de matériaux.

Étape 2: Calculer la force nominale

La résistance nominale représente la capacité théorique de l'élément structural, basée sur les propriétés du matériau et les principes d'équilibre. La méthode de calcul varie selon le type de chargement:

Pour les membres de la Flexurale:

Calculer la capacité nominale de moment (Mn) en utilisant la compatibilité des déformations et l'équilibre des forces, ce qui implique de déterminer la profondeur de l'axe neutre, la distribution des contraintes en béton et en acier et la capacité interne de moment qui en résulte.

Pour les membres en compression:

Calculer la capacité axiale nominale (Pn) en tenant compte de la contribution du béton et du renforcement. Pour la charge axiale combinée et le moment, les diagrammes d'interaction sont généralement utilisés pour déterminer la capacité nominale.

Pour le shear:

Calculer la capacité de cisaillement nominale (Vn) comme la somme de la contribution en béton (Vc) et de la contribution en acier (Vs). La contribution en béton dépend de facteurs tels que la résistance en béton, les dimensions de section et le rapport de renforcement longitudinal.

Étape 3 : Identifier les facteurs appropriés de réduction de la force

En fonction du type de charge et de mode de rupture, sélectionnez le facteur phi approprié dans le code ACI. Les facteurs Phi varient selon le membre et ce qui est résisté (flexure, cisaillement, torsion, roulement).

  • Déterminer si la section est contrôlée par tension, par compression ou dans la zone de transition
  • Pour les colonnes, indiquer si l'on utilise un renfort en spirale ou un renfort lié
  • Pour les dispositions sismiques spéciales, vérifier si des facteurs phi modifiés s'appliquent
  • Considérez toute condition particulière pouvant affecter la sélection du facteur phi

Le choix du facteur phi correct est essentiel pour assurer le niveau de sécurité approprié pour le mode de défaillance spécifique considéré.

Étape 4: Calculer la résistance de conception

Multiplier la résistance nominale par le facteur de réduction de la résistance approprié pour obtenir la résistance nominale:

  • Capacité de la conception: φMn = λ × Mn
  • Contenance axiale de conception: φPn = λ × Pn
  • Capacité de charge de conception: φVn = φ × Vn

La conception étant sûre, la résistance structurale obtenue en multipliant la résistance nominale par le facteur de réduction phi, dépasse ou égale la résistance nécessaire pour résister aux charges factorielles.

Étape 5 : Déterminer la force requise à partir des charges factorielles

Calculer la résistance requise en appliquant les facteurs de charge aux charges de service et en les combinant selon les combinaisons de charges applicables, ce qui produit des moments factorisés (Mu), des forces axiales factorielles (Pu) et des cisailles factorielles (Vu) que le membre doit résister.

Mu, Vu et Pu sont égaux à des moments facteurs externes, des forces de cisaillement et des forces axiales. Mn, Vn et Pn sont respectivement égaux au moment nominal, au cisaillement et à la capacité axiale de la membrure.

Étape 6 : Comparer la force de conception à la force requise

La norme fondamentale de conception est que la résistance de conception doit être égale ou supérieure à la résistance requise pour toutes les combinaisons de charges applicables:

  • φMn ≥ Mu (pour la flexion)
  • φPn ≥ Pu (pour charge axiale)
  • φVn ≥ Vu (pour cisaillement)

Un rapport de capacité égal ou inférieur à 1,0 signifie que la résistance de conception est supérieure à la résistance requise; et la section est adéquate pour résister à toutes les charges d'entrée. Un rapport de capacité supérieur à 1,0 signifie que la résistance de conception est inférieure à la résistance requise et que la section est inadéquate pour résister à toutes les charges d'entrée.

Si la résistance de conception est insuffisante, la section doit être révisée en augmentant les dimensions, en ajoutant des renforts ou en utilisant des matériaux de résistance plus élevés.

Étape 7 : Évaluer les marges de sécurité et l'optimisation

Après avoir vérifié que la résistance de la conception dépasse la résistance requise, les ingénieurs devraient évaluer la marge de sécurité et envisager des possibilités d'optimisation. Bien que la conception prudente offre une sécurité supplémentaire, une sur-conception excessive conduit à des structures peu rentables et à une utilisation inefficace des matériaux.

Le rapport de capacité, défini comme le rapport de la force requise par rapport à la force de conception, fournit une mesure utile pour évaluer l'efficacité de conception. Il est important de se rendre compte que le rapport de capacité défini dans le programme n'est qu'une mesure de la pertinence de la section par rapport aux charges.

Exemple détaillé de calculs

Exemple 1: Capacité flexible d'un faisceau de béton renforcé

Considérez un faisceau rectangulaire de béton simplement supporté avec les propriétés suivantes:

  • Largeur b) = 12 pouces
  • Profondeur totale (h) = 24 pouces
  • Profondeur effective (d) = 21,5 pouces
  • Résistance au béton (f'c) = 4 000 psi
  • Résistance à l ' élasticité de l ' acier (fy) = 60 000 psi
  • Renfort de tension = 4 #8 barres (As = 3,16 in2)

Étape 1: Calculer la capacité nominale de moment

Premièrement, déterminer si la section est contrôlée par tension en calculant le rapport de renforcement et en comparant les conditions équilibrées:

ρ = As / (b × d) = 3,16 / (12 × 21,5) = 0,0122

Calculer la profondeur du bloc de contrainte rectangulaire équivalent:

a = (As × fy) / (0,85 × f'c × b) = (3,16 × 60 000) / (0,85 × 4 000 × 12) = 4,65 pouces

Calculer la capacité nominale du moment:

Mn = As × fy × (d - a/2) = 3,16 × 60 000 × (21,5 - 4,65/2) = 3 685 000 lb-in = 307 kip-pi

Étape 2: Vérifier le comportement sous tension

Calculer la souche de traction nette:

c = a / β1 = 4,65 / 0,85 = 5,47 pouces

εt = 0,003 × (d - c) / c = 0,003 × (21,5 - 5,47) / 5,47 = 0,0088

Depuis εt = 0,0088 > 0,005, la section est contrôlée par tension et λ = 0,90

Étape 3: Calculer la capacité du moment de conception

φMn = 0,90 × 307 = 276 kip-ft

Étape 4: Déterminer le moment requis à partir des charges factorielles

Supposons que le faisceau s'étend sur 20 pieds avec:

  • Charge morte (y compris autopoids) = 1,5 kip/pi
  • Charge réelle = 2,0 kips/pi

Utilisation de la combinaison de charge U = 1,2D + 1,6L:

wu = 1,2(1,5) + 1,6(2.0) = 5,0 kips/pi

Mu = wu × L2 / 8 = 5,0 × (20)2 / 8 = 250 kip-ft

Étape 5: Vérifier l'adéquation

φMn = 276 kip-ft > Mu = 250 kip-ft ✓ (Adéquat)

Rapport de capacité = Mu / φMn = 250 / 276 = 0,91

Le faisceau a une capacité de flexion suffisante avec une marge de sécurité raisonnable.

Exemple 2: Capacité de cisaillement d'un faisceau de béton renforcé

En utilisant le même faisceau de l'exemple 1, calculez la capacité de cisaillement à la section critique (généralement à la distance d de la face du support).

Étape 1: Calculer la contribution du béton à la résistance au cisaillement

Pour les organes sans force axiale, l'équation simplifiée pour Vc est:

Vc = 2λ √f'c × bw × d

où λ = 1,0 pour le béton de poids normal

Vc = 2 × 1,0 × √4000 × 12 × 21,5 = 32 600 lb = 32,6 kips

Étape 2: Déterminer le renforcement de cisaillement requis

Calculer le cisaillement factorisé à la distance d du support:

Vu = wu × (L/2 - d) = 5,0 × (10 - 21,5/12) = 41,0 kips

Vérifier si un renforcement de cisaillement est nécessaire:

φVc = 0,75 × 32,6 = 24,5 kips

Vu = 41,0 kips > φVc = 24,5 kips, un renforcement de cisaillement est nécessaire.

Étape 3: Renforcement de cisaillement de conception

Vs requis = Vu/λ - Vc = 41,0/0,75 - 32,6 = 22,1 kips

Utilisation d'étriers #4 (Av = 0,40 in2) à l'espacement s:

s = (Av × fy × d) / Vs = (0,40 × 60 000 × 21,5) / 22,100 = 23,3 pouces

Vérifiez les exigences d'espacement maximum et fournissez des étriers #4 à 12 pouces au centre (plus prudent que calculé).

Étape 4: Vérifier la capacité totale de cisaillement

Avec étriers à 12 pouces:

Vs = (Av × fy × d) / s = (0,40 × 60 000 × 21,5) / 12 = 43,0 kips

Vn = Vc + Vs = 32,6 + 43,0 = 75,6 kips

φVn = 0,75 × 75,6 = 56,7 kips > Vu = 41,0 kips ✓ (Adéquat)

Exemple 3: Capacité axiale d'une colonne liée

Considérez une colonne carrée liée aux propriétés suivantes:

  • Dimensions de la colonne = 16 pouces × 16 pouces
  • Résistance au béton (f'c) = 5 000 psi
  • Résistance à l ' élasticité de l ' acier (fy) = 60 000 psi
  • Renfort longitudinal = 8 #9 barres (As = 8,0 in2)
  • Raccordement lié (pas spirale)

Étape 1: Calculer le rapport brut de surface et d'acier

Ag = 16 × 16 = 256 in2

ρg = As/Ag = 8,0 / 256 = 0,0313 (3,13 %)

Étape 2: Calculer la capacité axiale nominale

Pour compression axiale pure (capacité maximale):

Pn,max = 0,80 × [0,85 × f'c × (Ag - As) + fy × As]

Pn,max = 0,80 × [0,85 × 5 000 × (256 - 8,0) + 60 000 × 8,0]

Pn,max = 0,80 × [1,054 000 + 480 000] = 1,227 kips

Étape 3: Appliquer le facteur de réduction de la résistance[

Pour les colonnes liées, λ = 0,65 pour les sections contrôlées par compression:

φPn,max = 0,65 × 1,227 = 798 kips

Étape 4: Déterminer la capacité axiale requise

Charges calculées à partir de la combinaison de charges U = 1,2D + 1,6L:

  • Charge morte = 350 kips
  • Charge réelle = 200 kips

Pu = 1,2(350) + 1,6(200) = 740 kips

Étape 5: Vérifier l'adéquation

φPn,max = 798 kips > Pu = 740 kips ✓ (Adéquat)

Rapport de capacité = Pu / φPn,max = 740 / 798 = 0,93

La colonne a une capacité axiale adéquate, bien qu'elle soit très utilisée. Dans la pratique, les effets d'interaction avec les moments de flexion devraient également être pris en compte.

Considérations spéciales et sujets avancés

Diagrammes combinés de chargement et d'interaction

La plupart des éléments structuraux connaissent des conditions de charge combinées plutôt que de la charge axiale pure ou de la flexion pure. Pour les colonnes soumises à la charge axiale combinée et le moment de flexion, les diagrammes d'interaction fournissent une représentation graphique de la relation entre la capacité axiale et la capacité du moment.

Le rapport de capacité est calculé pour chaque section en fonction des charges et de la capacité de la section. Pour un ensemble de charges donné (Pu, Mux, Muy), trouver la capacité de section Mx-Mon contour à φPn= Pu.

Le diagramme d'interaction montre que, lorsque la charge axiale augmente, la capacité de moment augmente au départ (en raison de l'effet bénéfique de la compression sur la capacité flexurale), atteint un maximum au point équilibré, puis diminue à mesure que la section devient plus contrôlée par compression. Le facteur phi varie également le long du diagramme d'interaction, passant de 0,90 pour les régions contrôlées par tension à 0,65 ou 0,70 pour les régions contrôlées par compression.

Effets de la sensibilité et analyse de la seconde commande

Pour les colonnes minces, les effets de deuxième ordre (effets P-delta) peuvent réduire considérablement la capacité de charge. Le programme explique l'effet P--- en grossissant les moments de deuxième ordre en utilisant la méthode de grossissement du moment ACI. En fait, toutes les colonnes dans les cadres de balance doivent d'abord être considérées comme des colonnes brasées sous des charges de gravité agissant seul.

Le code ACI prévoit deux méthodes pour comptabiliser les effets de la faiblesse :

  • Méthode d'agrandissement du mouvement:[ Une approche simplifiée qui amplifie les moments de premier ordre en utilisant des facteurs d'agrandissement
  • Analyse de la deuxième commande :[ Une approche plus rigoureuse qui explique directement la non-linéarité géométrique

Il est important de souligner que dans les analyses de premier et de deuxième ordre, la rigidité de l'organe doit être utilisée pour tenir compte des effets des charges axiales, des fissures et des fluages.

Considérations de conception sismique

Pour les structures en régions sismiques, des dispositions spéciales peuvent modifier les facteurs de charge et les facteurs de réduction de la résistance. La valeur de λ pour le cisaillement est indiquée dans l'ACI 21.2.4 pour les structures résistantes aux tremblements de terre avec des éléments en a), b) ou c): a) cadres de moment spéciaux b) murs de structure spéciaux c) murs de structure intermédiaires préfabriqués dans des structures affectées à la conception sismique des catégories D, E ou F.

La conception sismique met l'accent sur la ductilité et la capacité de dissipation d'énergie, ce qui entraîne souvent des exigences plus strictes en matière de détails et, dans certains cas, des facteurs phi modifiés pour garantir que les modes de rupture ductile (comme la flexion de la production) se produisent avant les modes de rupture fragile (comme la rupture du cisaillement).

Ancrage et durée de développement

La capacité des éléments en béton armé dépend non seulement de la résistance des matériaux, mais aussi de la capacité de développer la pleine résistance du renfort par un ancrage et une longueur de développement adéquats.

Dans l'ACI 318-19, les facteurs de réduction de la résistance, φ, pour les ancrages, sont définis au chapitre 17 par opposition à d'autres chapitres dont les facteurs λ sont contenus au chapitre 21. Dans l'ACI 318-25, les facteurs λ ont été transférés au chapitre 21 pour être cohérents avec le reste du document.

On peut observer que le produit φ∙ φa pour les connexions redondantes dans ACI 318-25 est à peu près équivalent aux facteurs φ dans ACI 318-19, tandis que les capacités des connexions non redondantes sont réduites de 10 à 15 pour cent.

Effet de taille dans le design de kear

Des recherches récentes ont démontré que la résistance au cisaillement des éléments en béton a un effet de taille, où les plus gros éléments ont une résistance au cisaillement proportionnellement plus faible par unité de surface que les plus petits éléments.

Les changements tiennent compte de l'effet de taille et des faibles niveaux de renforcement pour les éléments sans renfort de cisaillement. Ils simplifient et réduisent les équations pour les éléments de béton non précontraints avec et sans effets de charge axiale. L'impact de ce changement variera et ne pourra être déterminé qu'après l'implémentation pour diverses conditions.

Ce changement explique l'effet de profondeur des dalles sans renfort de cisaillement. Pour les dalles bidirectionnelles sans renforcement de cisaillement et d > 10 po, le facteur d'effet de taille entraînera une réduction des valeurs de résistance au cisaillement bidirectionnel par rapport à ACI 318-14.

Considérations pratiques et pratiques exemplaires

Essais de matériaux et contrôle de la qualité

La précision des calculs de la capacité de charge dépend fondamentalement des propriétés réelles du matériau obtenues dans la construction. Les procédures de contrôle de la qualité, y compris les essais de bouteilles en béton et les certifications de fraisiers de renforcement, garantissent que les résistances spécifiées du matériau sont atteintes.

Des dispositions spéciales peuvent s'appliquer pour évaluer les structures existantes ou s'attaquer au béton non conforme. Les essais de base, les méthodes d'essai non destructives et les procédures d'évaluation statistique peuvent être utilisés pour évaluer la résistance du béton en place et déterminer les facteurs de réduction de la résistance appropriés pour les structures existantes.

Conception et analyse assistées par ordinateur

La pratique moderne de l'ingénierie structurelle repose fortement sur des logiciels informatiques pour la conception et l'analyse. Ces programmes automatisent plusieurs des calculs décrits dans cet article, notamment :

  • Production automatique de combinaisons de charges
  • Calcul des forces nominales et de la conception
  • Production de diagrammes d'interaction pour le chargement combiné
  • Analyse de deuxième ordre pour les membres minces
  • Optimisation des plans de renforcement

Cependant, les ingénieurs doivent comprendre les principes sous-jacents pour interpréter correctement les résultats des logiciels, vérifier les calculs et prendre des décisions éclairées en matière de conception.

Documentation et communication

Une documentation claire des calculs de la capacité de charge est essentielle pour la vérification de la conception, la coordination de la construction et les références futures.

  • Propriétés des matériaux et hypothèses de conception
  • Combinaisons de charge considérées
  • Calculs de la résistance nominale avec équations de support
  • Facteurs de réduction de la force appliqués
  • Comparaison de la résistance de la conception avec la résistance requise
  • Résumé des ratios de capacité

Les documents de construction doivent clairement communiquer les exigences de conception, y compris la résistance au béton, les détails de renforcement et toute exigence particulière en matière d'inspection ou d'essai.

Erreurs courantes et comment les éviter

Plusieurs erreurs communes peuvent survenir dans le calcul de la capacité de charge:

  • Choix incorrecte des facteurs phi:[ Vérifier que le facteur de réduction de la résistance approprié est utilisé pour chaque mode de défaillance et condition de charge
  • Combinaisons de charge de rupture:[ S'assurer que toutes les combinaisons de charge applicables sont prises en considération, y compris celles pour le soulèvement et le renversement
  • Négligence des exigences minimales de renforcement:[ Même lorsque les calculs montrent que le renforcement est moins nécessaire, les exigences minimales de code doivent être satisfaites.
  • Ignorer les exigences de détail:[ Les calculs de capacité appropriés doivent être accompagnés de détails appropriés pour la longueur de développement, l'espacement et le couvercle
  • Exigences générales de fonctionnement:[ Bien que la résistance soit critique, la déflexion, la commande de fissures et d'autres critères de fonctionnement doivent également être satisfaits.

Développements récents du code et orientations futures

Évolution des dispositions de l'ACI 318

Le code ACI 318 fait l'objet de mises à jour régulières pour intégrer les nouvelles conclusions de recherche, améliorer l'efficacité de la conception et améliorer la sécurité structurelle.

  • équations de résistance au cisaillement raffinées tenant compte de l'effet de taille et du rapport de renforcement longitudinal
  • Mise à jour des dispositions relatives au béton et au renforcement à haute résistance
  • Amélioration des dispositions relatives à la conception des ancrages avec des facteurs de sécurité modifiés
  • Dispositions renforcées pour la conception sismique
  • Précisions sur les prescriptions relatives à la longueur du développement

Dans ACI 318-19, tableau 21.2.2 pour le facteur de réduction de la force, , pour le moment, la force axiale, ou le moment combiné et la force axiale, la limite de contrainte contrôlée par tension est définie comme une expression de fy, pour couvrir explicitement les qualités de renforcement non précontraintes autres que la Grade 60. Par conséquent, à partir du code 2019, l'expression (ty + 0,003) définit la limite inférieure sur t pour le comportement contrôlé par tension.

Approches de conception fondées sur la fiabilité

La présente étude utilise une probabilité de défaillance basée sur une procédure d'analyse probabiliste à un second moment pour calculer le facteur de réduction de résistance pour prédire la contribution du béton à la résistance au cisaillement des poutres en béton armé selon le code ACI 318. Pour différents coefficients de variation des probabilités de rupture du béton et de rupture, le facteur de réduction de résistance au cisaillement est étudié à l'aide d'études expérimentales disponibles dans la littérature. Il est constaté qu'un facteur de réduction de résistance de 0,75 pour le cisaillement est valable dans la conception selon ACI 318 pour un coefficient de variation de la résistance à la compression du béton de 0,18 et une probabilité de défaillance de 10 à 5.

Cette approche fondée sur la fiabilité assure des niveaux de sécurité uniformes pour différents modes de défaillance et conditions de chargement, ce qui permet des conceptions plus rationnelles et plus économiques.

Durabilité et efficacité matérielle

Comme l'industrie de la construction se concentre de plus en plus sur la durabilité, optimiser l'utilisation des matériaux tout en maintenant la sécurité devient plus important.

  • Utiliser des matériaux à plus haute résistance, le cas échéant, pour réduire les dimensions des membres
  • Optimisation des plans de renforcement pour réduire au minimum les déchets
  • Prise en compte des performances du cycle de vie dans les décisions de conception
  • Incorporer des matériaux recyclés et durables lorsque cela est possible

Conclusion et principales conclusions

La capacité de calcul de la charge avec les facteurs de sécurité du code ACI est une compétence fondamentale pour les ingénieurs structuraux travaillant avec des structures en béton. Le processus implique une approche systématique qui combine les propriétés du matériau, les considérations géométriques et les facteurs de sécurité définis par le code pour assurer une performance structurale adéquate.

Les principes clés à retenir sont les suivants :

  • La résistance nominale est obtenue en multipliant la résistance nominale par le facteur de réduction de la résistance approprié (λ)
  • Différents facteurs phi s'appliquent à différents modes de défaillance, reflétant des niveaux variables de ductilité et de prévisibilité
  • Les facteurs de charge tiennent compte des incertitudes quant à l'ampleur et à la combinaison de la charge
  • La résistance nominale doit être égale ou supérieure à la résistance requise pour toutes les combinaisons de charges applicables
  • Les récents développements de codes continuent de préciser les dispositions en fonction de la recherche et de l'analyse de la fiabilité

En suivant le processus de calcul étape par étape décrit dans cet article et en comprenant les principes sous-jacents, les ingénieurs peuvent concevoir avec confiance des structures en béton sûres, efficaces et économiques qui répondent aux exigences du code ACI.

Pour plus d'informations sur les dispositions du code ACI et la conception de béton structurel, les ingénieurs devraient consulter le document complet du code ACI 318, les manuels de conception de l'ACI et les ressources disponibles par l'intermédiaire d'organisations professionnelles telles que American Concrete Institute et American Society of Civil Engineers.