FUSIBLES DUCTILES : TRAVAUX ANTERIEURS

Figure 3.3 Fusible mis en place p ar B onetti sur des HSS circulaires [3].

B - B R cm i HSSBiæe

StapeNJbmyaflcy

In ner

C’ores

ChlxnFibarx

A

RatfacalRisim

Figure 3.4 Fusible com posite confectionné par Bonetti [3].

3 .2 .4

Travaux de V elchev

Les travaux entrepris par Velchev [58] sur les fusibles ductiles ont pour b u t de réduire la dem ande sismique sur les connexions boulonnées de murs contreventés par des tira n ts

3.2. TRAVAUX ANTÉRIEURS 37

d ’acier. Préalablement, des travaux entrepris par A l-K harat, à l’instar de B onetti, avaient démontré la possibilité d ’obtenir une concentration de la dem ande inélastique au droit des connexions boulonnées lorsque les principes du dim ensionnem ent à la capacité étaient appliqués pour dimensionner ce type de système. D ans certains cas, les déform ations exces­ sives conduisaient à des ruptures subites en aire n e tte au d ro it des connexions boulonnées et entraînaient ainsi, une perte notable de ductilité du bâtim ent.

La méthodologie employée par Velchev pour dim ensionner les zones réduites des tiran ts (i.e. fusibles) suit essentiellement les mêmes hypothèses que Kassis. D ans ce cas-ci, to u te­ fois, le système est considéré en tractio n seulement e t aucune disposition particulière ne vise à contrôler le flambement des m em brures ou des fusibles. De façon générale, il a pu être démontré q u ’il était possible d ’éviter une ru p tu re fragile des connexions boulonnées par un contrôle adéquat des forces dans le système, donc par l’utilisation stratégique des fusibles. Principalem ent, les travaux de Velchev ont perm is de dém ontrer l’im portance d ’utiliser des fusibles de grande longueur pour éviter la concentration de la dem ande en ductilité sur une longueur réduite et ainsi lim iter le niveau d ’écrouissage de l ’acier dans les zones de fusibles. Ainsi, on comprend que des limites inférieures sur la longueur des fusibles pourraient être requises pour éviter que le niveau d ’écrouissage dans les fusibles dépasse les valeurs standardisées prescrites dans les normes de conception canadiennes. Un niveau d ’écrouissage trop élevé pourrait conduire à une dem ande sismique plus im p o rtan te que ce qui a été anticipé sur les éléments adjacents et, possiblem ent causer une ruine prém aturée du système.

3 .2 .5

Travaux de Giugliano

Les normes parasismiques européennes, to u t comme les normes nord-am éricaines, im posent des limites d ’élancement aux mem brures des CBFs pour éviter un flam bem ent prém aturé et pour protéger, entre autres, les connexions contre les charges d ’im pacts observés lors de renversement de charges. Il a été rem arqué p ar Giugliano [24] que ces exigences minimales de dimensionnement dans les normes européennes entraînent, dans plusieurs cas, une sur­ capacité des membrures aux étages faiblem ent chargés. Les étages faiblem ent chargés sont définis comme les étages dimensionnés pour les exigences minimales de dim ensionnem ent plutôt que pour les efforts anticipés calculés. Ainsi, lors d ’un événement sismique, la de­ mande en ductilité est concentrée aux étages ayant le plus faible rap p o rt de «surcapacité» (généralement les étages inférieurs), ce qui p eu t conduire à la création «d’étages faibles» et d ’un possible mécanisme de ruine. L ’o bjectif visé par Giugliano est donc d ’utiliser les fu­

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sibles ductiles pour réduire la «surcapacité» des diagonales au niveau des charges sismiques anticipées sans trop influencer leur rapport d :élancement. C ette dém arche p e rm ettra it non seulement de m ettre en place un mécanisme de ruine global et uniforme sur tous les étages du bâtim ent, mais aussi, de réduire significativement la dem ande sismique sur les élém ents adjacents aux éléments dissipatifs des CBFs.

Afin d ’atteindre ces objectifs, Giugliano propose une m éthode explicite de dimension- nement des fusibles basée sur des hypothèses similaires à celles proposées p ar Kassis et sur des concepts théoriques éprouvés. Un aspect intéressant des travaux réalisés p ar G iu­ gliano est qu’on cherche à investiguer l’effet bénéfique des fusibles sur le com portem ent sismique global du bâtim ent et non seulement à mitiger les effets dissuasifs «locaux» du dimensionnement à la capacité. Pour ce faire, un bâtim ent simple est dim ensionné avec la démarche proposée et des analyses dynamiques incrém entales sont effectuées afin de valider les effets de l’élimination de la «surcapacité» à chacun des étages par l’utilisation de fusibles ductiles. La stratégie employée par Giugliano est alors d ’ad ap te r un modèle théorique représentant la réponse d ’une m em brure simplement supportée sous charge cy­ clique (modèle de Georgescu |23|) afin de le rendre représentatif du com portem ent d ’une mem brure équipée de fusibles. Le modèle théorique est par la suite intégré au modèle numérique d ’un bâtim ent simple et des analyses non linéaires sont réalisées. Puisque les entailles sont dimensionnées de sorte à éviter le flambement local des fusibles, il est alors admis par Giugliano que le modèle de Georgescu (Figure 3.5) peut être ad ap té et que seule la charge causant la plastification en traction de la section est réduite (Figure 3.5). Il est donc considéré dans ce cas-ci que les fusibles n ’ont aucun im pact sur le com portem ent en compression des membrures.

bracing membors * «fioul R S S braeng irambex R S S 2000 -1000 -....- - ...:. ' — :.- — - - « 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 P _{S (cm)}

Figure 3.5 a) Modèle de Georgescu et b) Modèle de Georgescu ad ap té par Giugliano [24].

3.2. TRAVAUX ANTÉRIEURS 39

Le bâtim ent simple modélisé à l’aide des diagonales ad o p tan t le com portem ent théorique de Geogescu modifié par Giugliano est alors soumis à cinq accélérogrammes de trem ble­ ments de terre typique en vue d ’évaluer la perform ance du système. Ainsi, il a pu être dém ontré que l’utilisation de fusibles perm et de distribuer plus uniform ém ent la dem ande inélastique sur la hauteur du bâtim ent et de réduire les coûts globaux de construction. O utre ces conclusions, les travaux de Giugliano présentent une méthodologie intéressante pour évaluer numériquement le com portem ent des m em brures équipées de fusibles sous charges dynamiques.

A priori, il semble que l’hypothèse retenue par Giugliano selon laquelle le com portem ent en compression des membrures n ’est pas affecté p ar la présence de fusibles devra être analysée plus en détail. En effet, le modèle de Georgescu est construit selon l ’hypothèse que les déformations inélastiques se produisent dans une zone concentrée au centre de la membrure. Dans le cas de m em brure avec fusibles, la plasticité devrait se produire, théoriquem ent, au centre de la m em brure suite au flam bem ent inélastique de la section en compression ainsi que dans les zones réduites des fusibles en tension. Donc, il pou rrait être im portant de vérifier que le com portem ent en compression des fusibles n ’est pas influencé par l’allongement plastique dans les zones de fusibles.

3 .2 .6

Travaux de Desjardins

A l’instar des travaux de B onetti et Velchev, les travaux entrepris par D esjardins [10, 11] avaient pour objectif de développer des fusibles p erm etta n t de réduire suffisamment la dem ande sismique sur les connexions de CBFs en «X» faits de cornières pour perm ettre l’utilisation de connexions boulonnées simples et économiques. Les lignes directrices pro­ posées par Desjardins pour le dim ensionnem ent des fusibles sont les suivantes :

- réduire les efforts passants par la connexion boulonnée ;

- fournir une ductilité acceptable ;

- lim iter ses effets sur la capacité en compression ;

- être simple à construire.

P a rta n t des conclusions des études réalisées par Rezai et Kassis, il est alors choisi de dimensionner les fusibles de sorte que la résistance en tra ctio n des diagonales soit to u t juste inférieure à la résistance des connexions boulonnées p o u r ainsi éviter une ru p tu re

40 CHAPITRE 3. FUSIBLES DUCTILES : TRAVAUX ANTÉRIEURS

fragile de la connexion plutôt que pour égaler les résistances des m em brures en tra ctio n et compression. La section du fusible est alors déterm inée conformément à l’équation 3.1.

“ ï k { 3 A )

Dans la relation précédente, Tr est la résistance minimale de la connexion boulonnée cal­ culée selon la norme CA N/CSA S16-09. Tel que dém ontré par les travaux de Kassis, l’effet bénéfique des fusibles ductiles est d ’au ta n t plus m arqué lorsqu’ils sont utilisés conjointe­ ment avec les CBFs modérément ductiles. Ainsi, les travaux de D esjardins visent principa­ lement à élaborer des fusibles p erm ettant d ’obtenir une réponse hystérésique stable et une ductilité minimale de 3 conformément à ce qui est spécifié pour les systèmes m odérém ent ductiles dans les normes canadiennes. Ainsi, il est proposé de déterm iner la longueur des entailles depuis la relation 3.2.

L f _ A— tyLdiag o ù ) 6 y > ^ . ej = 5% 6 = 3eyL b (3.2)

ef - ey L

Dans l’équation précédente, L b est la longueur des m em brures diagonales des CBFs, ey est la déformation minimale du fusible qui a été fixée à 5% et <5 correspond à l’allongem ent minimal des contreventements, où l’on rem arque que la ductilité minimale des diagonales est fixée à 3 (p = 3).

Suite à l’élaboration d ’une démarche simple pour le dim ensionnem ent des fusibles, l’ob­ jectif principal des travaux de Desjardins était d ’explorer, via une phase expérim entale, les lignes directrices à adopter pour dim ensionner les fusibles sur des CBFs en «X» fait de cornières simples. Ainsi, plusieurs cornières auxquelles des entailles ont été placées à même la section (Figure 3.6) ont été soumises à des essais de traction/com pression et à des chargements cycliques dans un cadre expérim ental en vue d ’évaluer leur perform ance. Les conclusions préliminaires suivantes ont pu être formulées :

- les entailles respectant les géométries initiales du profilé ont dém ontré une meilleure performance ;

- les prescriptions de la norme C A N /C SA S16 pour l’évaluation du décalage en ci­ saillement ne perm ettent pas une évaluation précise de la résistance des connexions boulonnées et cela conduit à des incertitudes lors du dim ensionnem ent des fusibles sur des cornières ;

3.2. TRAVAUX ANTÉRIEURS 41

- des fusibles bien détaillés perm ettent d ’atteindre un niveau de ductilité correspon­ dant aux systèmes modérément ductiles prescrits par le CNBC sans com prom ettre le potentiel de dissipation d ’énergie et la perform ance attendue du système.

Puisque la démarche proposée par Desjardins repose essentiellement sur une évaluation précise de la résistance de la connexion boulonnée, l ’auteur suggère d ’utiliser la relation proposée par Chesson and Munse (équation 3.3) [7] pour évaluer la p erte de résistance due au décalage en cisaillement au droit des connexions boulonnées pratiquées sur une seule aile des cornières. Les travaux réalisés par Desjardins ont dém ontré que cette rela­ tion représentait plus fidèlement, dans la m ajorité des cas, la résistance des connexions boulonnées. Néanmoins, les essais expérim entaux réalisés ont dém ontré que la m éthode peut être non conservatrice dans certains cas et l’application de la m éthode peut, parfois, empêcher une protection adéquate de la connexion. L ’auteur recom m ande alors de p orter une attention particulière lors de l’évaluation du décalage en cisaillement.

Ane = V 1 - l ) An ( 3 - 3 )

Dans l’équation précédente, x est la distance du centroïde de la connexion à la face de la plaque de gousset et L est la longueur de la connexion.

Néanmoins, l’auteur reconnaît que des essais supplém entaires sont requis, sur d ’autres types de profilés, pour valider le com portem ent observé et ainsi, être en mesure de for­ muler des conclusions plus générales. De plus, il est spécifié que des rotations indésirables sous les cycles de compression ont été observées au droit des fusibles ce qui contribuait à l’ouverture de fissure puis à la rupture prém aturée des fusibles lors du renversem ent de la charge. Ainsi, des dispositifs (Figure 3.7) sont proposés afin de limiter ces rotations. Ces dispositifs ne sont toutefois q u ’une piste de solution et n ’ont jam ais été mis à l’essai dans un cadre expérimental.