Robustesse des structures mixtes lors de la perte d'une colonne - Extension du modèle analytique existant aux structures mixtes

Abstract

Depuis plusieurs décennies, la thématique de la robustesse a pris une place importante dans l'étude des structures. La recherche s'est intensifiée, ces dernière années, avec l'émergence croissante de catastrophes naturelles et du terrorisme. Ces événements majeurs ont amené les ingénieurs à revoir la manière de concevoir les structures afin d'assurer leur intégrité lors d'événements qui n'étaient, dès lors, pas considérés pour l'exploitation " normale " du bâtiment.

L'objectif principal, des nombreuses recherches en cours dans le domaine de la robustesse, est de pouvoir fournir des méthodes simples de conception de bâtiment, permettant de garantir leur robustesse et d'éviter leur effondrement total ou partiel en cas de chargement exceptionnel. L'Université de Liège travaille depuis de nombreuses années sur cette thématique. Les différentes recherches, qui y ont été menées, se concentrent principalement sur l'étude du comportement des structures en portiques de type poteau-poutre en envisageant le scénario de la perte d'un poteau.

À ce jour, les travaux de recherche se sont essentiellement focalisés sur le comportement des ossatures métalliques. Les résultats des ces études ont permis le développement et la validation d'une procédure analytique complète reproduisant le comportement de telles structures lors de la ruine d'un élément porteur. Dès lors, une routine MatLab a été réalisée pour prédire la réponse d'une structure 2D en acier.

Pourtant, cette approche n'a été considérée que dans le cas de l'utilisation d'éléments en acier. Or, le principe fondamental décrit dans cette approche, devrait être applicable à d'autres matériaux présentant des propriétés plus complexes comme, par exemple, le béton armé dont les propriétés mécaniques sont foncièrement différentes suivant les sollicitations qui lui sont imposées.

Par conséquent, l'objectif principal de ce travail de fin d'études sera d'adapter le modèle analytique proposé aux structures mixtes (acier-béton) en y intégrant la contribution de la dalle en béton armé considérant les propriétés intrinsèques des matériaux composant la section.

Pour ce faire, dans un premier temps, le modèle analytique d'une sous-structure mixte sera implémenté dans une routine Matlab permettant de générer sa réponse lors de la perte d'une colonne. Dans un deuxième temps, la solution obtenue par l'approche analytique sera validée au moyen de simulations numériques en utilisant le logiciel éléments finis Finelg. Finalement, ces modèles seront exploités pour étudier la réponse structurale de sous-structure simple et notamment analyser l'influence des largeurs collaborantes sur le comportement d'une structure de référence suite à la perte d'une colonne.

For several decades, the topic of robustness has taken an important place in the study of structures. Research has intensified in recent years with the increasing emergence of natural disasters and terrorism. These major events led engineers to review how structures were designed to ensure their integrity during events that were not considered for " normal " building utilization.

The main objective, of the many researches going on in the field of robustness, is to be able to provide simple methods, of building design, to guarantee their robustness and to avoid their total or partial collapse in case of exceptional loading. The University of Liège has been working for many years on this topic. The various researches that have been carried out focus mainly on the study of the behavior of column-and-beam frame structures by considering the scenario of the loss of a column.

To date, research has mainly focused on the behavior of steel structures. The results of these studies allowed the development and validation of a complete analytical procedure reproducing the behavior of such structures further to a column loss. Since then, a MatLab routine has been performed to predict the response of a 2D steel frame.

Yet, this approach has been considered only in the case of the use of steel elements. However, the fundamental principle, described in this approach, should be applicable to other materials with more complex properties such as, for example, reinforced concrete which mechanical properties are fundamentally different depending on the stresses imposed on it.

Therefore, the main objective of this master thesis will be to adapt the proposed analytical model to composite structures (steel-concrete) by integrating the contribution of the reinforced concrete slab, considering the intrinsic properties of the materials composing the section.

To do this, as a first step, the analytical model of a composite substructure will be implemented in a Matlab routine to generate its response when a column is lost. In a second step, the solution obtained by the analytical approach will be validated by means of numerical simulations using the finite element software, Finelg. Finally, these models will be exploited to study the structural response of simple substructure and to analyze the influence of the effective widths on the behavior of a reference structure further to a column loss.