Chapitre 2 Revue de littérature
2.4 Diagonales ductiles confinées (DDC)
Les recherches afin d’arriver au concept de DDC ont débuté dans les années 1970 au Japon (Xie 2005). Le but de ces recherches était de développer un type de contreventement concentrique qui ne flamberait pas sous les charges de compression afin d’obtenir une résistance en compression similaire à la résistance en traction et du fait même, une capacité de dissipation d’énergie supérieure, tout en gardant l’avantage de la bonne rigidité latérale des contreventements concentriques.
2.4.1 Composants d’une DDC
Les principaux composants d’une DDC sont le noyau, le système de retenue latérale et le matériel de désolidarisation. Le noyau est la partie qui reprend l’entièreté des charges transmises à la diagonale et est généralement fait d’une plaque d’acier avec une section réduite en son milieu, appelée segment ductile, et des raidisseurs aux extrémités sur ce qu’on appelle le segment de connexion pouvant être boulonnée ou soudé au gousset le reliant aux poutres et aux colonnes, tel que représenté sur la figure 2.11.
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Figure 2.11 – Présentation des différents composants d’une DDC
Le système de retenue latérale sert à empêcher le flambement du noyau pour lui permettre de développer sa pleine capacité en compression. Dans le cas présenté sur la figure 2.11, il est constitué d’un profilé en acier auquel un béton ou un mortier est coulé à l’intérieur afin de fournir la rigidité latérale nécessaire pour empêcher le flambement global de la DDC (Watanabe et al. 1988, Black et al. 2002). D’autres configurations faites totalement en acier permettent d’obtenir la rigidité latérale désirée tout en offrant la possibilité de démonter les constituants pour pouvoir effectuer l’inspection du noyau (Tremblay et al. 2006).
Il est très important que le noyau et le système de retenue latérale soient indépendants l’un de l’autre pour que la charge axiale soit reprise en totalité par le noyau et que le système de retenue latérale ne serve exclusivement qu’à empêcher le flambement du noyau, dans le but d’obtenir le comportement désiré. Pour ce faire, un vide d’air et/ou un matériel de désolidarisation doit se retrouver entre les deux composants, tel que présenté sur la figure 2.11. Le matériel de désolidarisation sert à diminuer le frottement entre le noyau et le système de retenue latérale afin de diminuer le transfert de charge entre les 2 composants. Il doit être en
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mesure de reprendre les déformations transversales du noyau dues à l’effet de poisson lors des chargements en compression et dans le cas contraire, un vide d’air doit être ajouté pour éviter le blocage du noyau dans le système de retenue latérale. Différents matériaux ont été utilisés comme matériel de désolidarisation tels des epoxys, silicones, vinyles et polyéthylènes (Xie 2005).
2.4.2 Comportement local du noyau en compression
Comme l’espacement entre le noyau et le système de retenue latérale est nécessaire au bon fonctionnement de la DDC, le noyau peut tout de même flamber avant de buter sur ses retenues. Le comportement du noyau à l’intérieur de ses retenues lorsque qu’une charge de compression est appliquée graduellement à ses extrémités est présenté à la figure 2.12. Lors de l’étape 1, le noyau flambe dans son axe faible lorsque la charge d’Euler est atteinte et va buter contre le système de résistance latérale. Par la suite, plus la charge augmente, plus la surface de contact de la plaque avec son support augmente tel que représenté à l’étape 2, jusqu’à ce que la charge soit assez élevée pour atteindre le prochain mode de flambement qui est représenté à l’étape 3. Ce comportement continue alors de se produire avec l’augmentation de la charge de compression et de développer des modes de flambement plus élevés tel que représenté à l’étape 4, jusqu’à la plastification du noyau. La plastification dans le noyau, même si elle n’est pas uniforme en raison des courbures engendrées par les modes de flambement supérieurs, peut ainsi être atteinte avant le flambement global de la DDC et la résistance en compression du système devenir semblable à la résistance en traction.
Figure 2.12 – Comportement du noyau d’une DDC sous des efforts de compression
2.4.3 Conception d’une DDC selon les normes canadiennes
La norme canadienne en vigueur pour ce qui est du calcul des sollicitations sur une membrure de contreventement est le Code national du bâtiment – Canada 2015 (CNBC 2015). Pour ce qui est de la force sismique latérale minimale, elle doit être calculée à l’aide de l’équation 2.13, où V est la force sismique latérale
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minimale, S(Ta) est la réponse spectrale de l’accélération de calcul exprimée sous forme de rapport à
l’accélération de la pesanteur pendant la période du mode fondamental de vibration latérale de la structure dans la direction considérée, Mv est un facteur tenant compte de l’effet du mode supérieur sur le cisaillement à
la base, IE est le coefficient de risque parasismique de l’ouvrage, W est la charge à considérer pour le calcul
parasismique, Rd est le coefficient de modification de force liée à la ductilité et R0 est coefficient de
modification de force liée à la sur-résistance.
𝑉 =𝑆(𝑇𝑎)𝑀𝑣𝐼𝐸𝑊
𝑅𝑑𝑅0 (2.13)
Comme il y a seulement 2% de chances en 50 ans que le séisme de conception survienne, il ne serait pas viable économiquement que les bâtiments soient conçus pour l’entièreté de la charge sismique. C’est pourquoi les coefficients Rd et R0 sont utilisés pour réduire la charge latérale de conception en tenant compte de la
capacité inélastique de la structure. Le coefficient Rd est relié à la ductilité de la structure et se situe entre les
valeurs de 1, pour les systèmes de résistance aux forces sismiques les plus fragiles, et de 5 pour les systèmes les plus ductiles. Le coefficient R0 est relié à la sur-résistance de la structure, faisant référence à
une réserve de résistance de la structure au-delà de la résistance calculée. Les valeurs de R0 pour les
différents systèmes de résistance aux charges sismiques se situent entre 1, pour les systèmes auxquels la sur-résistance n’est pas connue, et 1.7 pour les systèmes possédant la sur-résistance la plus élevée. Le CNBC 2015 fournit des valeurs de Rd et R0 de 4 et 1.2 respectivement pour les DDC démontrant la très forte
ductilité du système.
Une fois les sollicitations obtenues dans les membrures, les DDC peuvent être conçues selon les conditions de la norme CAN/CSA S16-14 (CSA 2014). Cette norme mentionne que le noyau de la DDC doit être dimensionné afin de résister à l’entièreté de la charge axiale exercée dans la diagonale et que le système de retenue latérale du noyau doit pouvoir résister à des déformations correspondant à un déplacement inter- étage deux fois supérieur à celui de conception, sans qu’un flambement global de la diagonale ne se produise. Les résistances en traction et en compression d’une DDC sont calculées à l’aide des équations 2.14 et 2.15 où Tysc est la résistance probable à la traction, ω est un coefficient d’ajustement qui tient compte de
l’écrouissage, Asc est l’aire de la section réduite du noyau, Fysc est la limite élastique du noyau, Ry est un
facteur de modification de Fysc, Cysc est la résistance probable à la compression et β est le coefficient
d’ajustement pour le frottement.
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𝐶𝑦𝑠𝑐= 𝛽𝜔𝐴𝑠𝑐𝑅𝑦𝐹𝑦𝑠𝑐 (2.15)
Les valeurs de ω et de β sont obtenues en admettant que Tysc et Cysc sont respectivement la force maximale
de traction et la force maximale de compression obtenues lors d’essais de qualification pour une DDC. Ces essais de qualification doivent être conformes à ce qui est mentionné dans la norme américaine pour le calcul des structures d’acier (AISC 2010), tout en atteignant une déformation maximale de 2 fois le déplacement inter-étages de calcul parasismique. Le protocole de chargement fourni pour ces essais est le suivant :
2 cycles de chargement à une déformation correspondant à la limite élastique;
2 cycles de chargement à une déformation correspondant à 0.5 fois le déplacement inter-étages de calcul parasismique;
2 cycles de chargement à une déformation correspondant à 1 fois le déplacement inter-étages de calcul parasismique;
2 cycles de chargement à une déformation correspondant à 1.5 fois le déplacement inter-étages de calcul parasismique;
2 cycles de chargement à une déformation correspondant à 2 fois le déplacement inter-étages de calcul parasismique;
cycles additionnels de chargement à une déformation correspondant à 1.5 fois le déplacement inter- étages de calcul parasismique jusqu’à ce que la diagonale atteigne une déformation inélastique cumulative d’au moins 200 fois la déformation lors de la plastification.
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