Stability of thin-walled members in modular floor system (en ce compris une introduction à la méthodologie de la recherche)

Abstract

This thesis investigates the numerical modelling of a modular floor system composed of thin-walled steel members. The studied system consists of two main beams connected by secondary beams through bolted L-shaped connections. Particular attention is given to the behaviour of the main beams, the influence of the stiffeners and the modelling of the connection between main and secondary beams.

Finite element models are developed in Abaqus. A first global model is created using shell elements, rigid body stiffeners and simplified hinge connections. This model is used to analyse the global force-displacement response, the deformation mechanisms and the influence of different loading configurations. The study shows that the hinge model provides a satisfactory prediction of the global behaviour when the main beams are directly loaded. However, the response is influenced by contact between the main and secondary beams and by the load-transfer mechanism through the secondary beams.

The modelling of the stiffeners is then investigated. The comparison between rigid body and explicit stiffener representations shows that the loading and support conditions have almost no influence, while the explicit modelling of stiffeners significantly increases the resistance of the main beam. This indicates that stiffeners do not only act as rigid load-transfer elements but also influence local deformation and instability.

A detailed submodel of the bolted L-shaped connection is finally developed to derive rotational and translational spring laws. These laws are introduced in the global floor model and compared with the initial hinge representation. The results show that, in terms of global force-displacement response, the hinge model remains acceptable when the load is directly applied to the main beams. In these cases, the spring model mainly modifies the coupled flexural–torsional response and some local deformation mechanisms, while the global resistance remains close. However, when the load is applied on the secondary beams, the connection becomes directly involved in the load-transfer mechanism. In this case, the hinge model is no longer sufficient to reproduce the global force-displacement response, and the spring-based representation becomes necessary.

Ce travail étudie la modélisation numérique d’un plancher modulaire composé d’éléments en acier à parois minces. Le système étudié est constitué de deux poutres principales reliées par des poutres secondaires au moyen d’assemblages boulonnés en forme de L. Une attention particulière est portée au comportement des poutres principales, à l’influence des raidisseurs et à la modélisation de la connexion entre les poutres principales et secondaires.

Des modèles éléments finis sont développés dans Abaqus. Un premier modèle global est réalisé à l’aide d’éléments coques, de raidisseurs représentés par des corps rigides et de connexions simplifiées par des charnières. Ce modèle permet d’analyser la réponse globale force-déplacement, les mécanismes de déformation et l’influence de différentes configurations de chargement. L’étude montre que le modèle avec charnières permet de prédire de manière satisfaisante le comportement global lorsque les poutres principales sont directement chargées. Cependant, la réponse est influencée par le contact entre les poutres principales et secondaires ainsi que par le mécanisme de transfert des charges à travers les poutres secondaires.

La modélisation des raidisseurs est ensuite étudiée. La comparaison entre une représentation par corps rigide et une modélisation explicite des raidisseurs montre que les conditions de chargement et d’appui ont très peu d’influence, tandis que la modélisation explicite des raidisseurs augmente significativement la résistance de la poutre principale. Cela indique que les raidisseurs ne jouent pas uniquement un rôle d’éléments rigides de transfert de charge, mais influencent également la déformation locale et le développement des instabilités.

Un sous-modèle détaillé de l’assemblage boulonné en forme de L est finalement développé afin de déterminer des lois de ressorts rotationnels et translationnels. Ces lois sont introduites dans le modèle global du plancher et comparées à la représentation initiale par charnière. Les résultats montrent que, pour la réponse globale force-déplacement, le modèle avec charnières reste acceptable lorsque la charge est directement appliquée aux poutres principales. Dans ces cas, le modèle avec ressorts modifie principalement la réponse en flexion-torsion et certains mécanismes locaux de déformation, tandis que la résistance globale reste proche. En revanche, lorsque la charge est appliquée sur les poutres secondaires, la connexion intervient directement dans le mécanisme de transfert des charges. Dans ce cas, le modèle avec charnières n’est plus suffisant pour reproduire la réponse globale force-déplacement, et une représentation par ressorts devient nécessaire.