Problématique

Bien que l’utilisation d’un système à ductilité modérée permette de réduire la charge sismique de conception pour les diagonales, la conception par capacité exigée pour protéger le reste du SFRS a pour cause directe d’augmenter de manière significative la grosseur des autres éléments de la structure dont, en particulier, les assemblages des diagonales, réduisant ainsi les avantages économiques recherchés. Par conséquent, il peut arriver que les SRFS conçus de manière conventionnelle, c'est-à-dire sans détail particulier pour obtenir un comportement ductile et conçus pour des charges sismiques plus élevées, soient plus attrayants.

À titre d’exemple, la diagonale d'un contreventement travaillant en T/C de type MD, est conçue pour résister à l'effort sismique de compression, Cf, qui a été réduit avec le facteur Rd = 3.0.

Cependant, les assemblages de la diagonale doivent être conçus pour un effort correspondant à la résistance probable en traction de la diagonale choisie, soit : Tu = ARyFy, où A est l'aire de la

section de la diagonale, et RyFy est la limite élastique probable de l'acier de la diagonale. Pour un

contreventement de type construction conventionnelle (Type CC), le facteur Rd est égal à 1.5;

l’effort dans la diagonale est donc deux fois plus grand que pour le type MD. Par contre, on peut concevoir les assemblages de la diagonale pour le même effort sismique, Cf, que celui utilisé pour

dimensionner la diagonale, sans toutefois considérer un effort plus grand que Tu. À la Figure 1.2,

on compare l'effort de conception pour les assemblages de la diagonale pour les deux types de contreventement, et pour toute la plage d'élancements possibles, KL/r, de la diagonale en compression. On a supposé une diagonale tubulaire de type HSS (Fy = 345 MPa et RyFy = 460

MPa). Malgré que l'effort Cf est deux fois plus élevé pour le contreventement de type CC, on

CC est plus faible, lorsque l'élancement excède 90; une situation fréquemment rencontrée dans les bâtiments en acier d'un seul étage. L'impact est d'autant plus important que cet effort de conception pour les assemblages de la diagonale est également utilisé pour la conception de tous les autres éléments du SFRS, incluant le diaphragme de toit. Pour que le contreventement de type MD représente une solution plus économique, il faut donc tenter de minimiser les efforts de conception applicables aux assemblages des diagonales et au reste du SRFS.

Figure 1.2: Comparaison de l’effort de conception des assemblages, pour SRFS de type CC et de type MD

Face à cette réalité, plusieurs programmes de recherche ont été entrepris pour évaluer si l’ajout d’un fusible ductile en acier (FDA) dans les diagonales des contreventements de Type MD pouvait être avantageux pour les bâtiments d'un seul étage. Ces programmes ont démontré qu’en effet, l’ajout d’un FDA était une solution viable pour réduire la résistance probable en traction des diagonales, et ainsi, rendre les contreventements à ductilité modérée plus attrayants.

Le concept du fusible ductile qui a été proposé pour les contreventements avec diagonales travaillant en tension et compression, est illustré à la Figure 1.3. Comme on peut remarquer, le

fusible est conçu pour réduire la résistance probable en traction de la diagonale (TuF < Tu), mais

sans affecter sa résistance probable en compression, Cu (Cu demeure inchangée dans les deux

cas).

Figure 1.3: Comportement d’une diagonale sans FDA et avec FDA (Kassis et Tremblay, 2008)

Dans les dix dernières années, plusieurs configurations ont été explorées, variant d’un trou ovale dans les parois de la diagonale, jusqu’à l’ajout d’un élément ductile à la diagonale. De ces recherches, le FDA fait de quatre cornières à section réduite est celui qui a été retenu et qui fera l’objet de la présente recherche; ce système est illustré sur la Figure 1.4.

Figure 1.4: Détail du fusible avec 4 cornières à section réduite à l'étude (Kassis et Tremblay, 2008)

La diagonale, de type HSS, est coupée au droit du fusible. Le fusible comprend quatre cornières à section réduite en acier qui assurent le transfert des efforts entre les deux parties de la diagonale. Les cornières sont soudées à ses extrémités à la diagonale, telles que montrées à la Figure 1.4. Dans la partie centrale des cornières, la section est réduite pour obtenir la résistance en traction requise, TrF. De plus, les quatre cornières ont aussi, sur leur section réduite toujours, une

résistance en compression supérieure à la résistance probable en compression de la diagonale, Cu.

Ainsi, elles demeurent élastiques en compression. Le fusible est au final enveloppé par une boîte de confinement afin d’empêcher le flambement des cornières vers l'extérieur lorsque le fusible est comprimé. La boîte de confinement permet aussi de maintenir la rigidité en flexion de la diagonale au niveau du fusible, et ainsi éviter de réduire la résistance en compression de la diagonale. Enfin, les extrémités des cornières sont élargies afin de contenir la demande inélastique du fusible dans la partie réduite des cornières.

Le fusible fait de quatre cornières a été étudié par Kassis (2008) à l’École Polytechnique de Montréal. Entre autres, ses essais ont montré que ce type de FDA performait bien sous sollicitation cyclique et permettait de réduire la résistance en traction de la diagonale de manière significative. De plus, il a observé que les FDA étaient beaucoup plus avantageux pour les SRFS concentriques travaillant en T/C, conçus selon les dispositions du type MD, que pour le type LD. Par contre, il a noté que la présence d’une encoche (défaut) dans la section réduite des cornières, induite par le procédé de fabrication, pouvait compromettre leur capacité à se déformer dans le domaine plastique. De plus, dans son travail, Kassis ne présente qu’une ébauche de règles pour la conception et la fabrication de ce type de fusible. Ainsi, jusqu’à ce jour, aucune méthode de dimensionnement pratique et complète n’a été proposée. De plus, Kassis a conçu ses spécimens suivant les spécifications pour les contreventements de type LD et MD. Par contre, ses essais ont montré que les FDA pouvaient développer davantage de ductilité.

La compagnie Lainco Inc., fabricant de charpentes de bâtiments en acier depuis une dizaine d’années, est intéressée à utiliser ce type de fusibles dans ses structures et a manifesté le désir de collaborer au développement des règles pratiques pour la conception et la fabrication de ce système.