Assemblages des sections creuses (HSS) – qu'est-ce qui les rend si spéciaux ?

Appréciés par les architectes, redoutés par les fabricants. Les assemblages des sections creuses en acier peuvent être un véritable cauchemar, mais lorsqu'ils sont bien conçus, ils parviennent à civiliser la froideur des structures en acier.

L'acier est un matériau excellent pour créer des structures portantes. Cela ne fait aucun doute. C'est encore mieux si l'auteur du projet parvient à le rendre visible. Je me souviens d'une simple déclaration de mon professeur d'université, un ingénieur respecté : « Une bonne structure doit être véridique ». Quoi qu'il en soit, j'ai l'impression que le principe de portance doit être clair, non seulement pour un expert, mais aussi pour tout observateur.

Cela peut être une tâche difficile pour un architecte ou un concepteur. S'il réussit à exposer une telle construction, les détails sont essentiels. Il n'est pas surprenant que les espaces publics veuillent avoir un aspect différent de ceux d'une zone industrielle.

Nid d'oiseau – La structure en acier du stade national de Pékin est un bel exemple d'utilisation d'éléments HSS dans un chef-d'œuvre architectural iconique. Le type de section utilisé a complètement influencé l'impression générale du volume de la structure.

Lorsqu'il s'agit d'une structure portante exposée, les sections creuses (HSS) sont plus désirables que les sections ouvertes. On veut voir le moins d'assemblages possible. Si un assemblage est nécessaire, un assemblage soudé est préféré à un assemblage boulonné. Et si l'assemblage boulonné est inévitable, on veut avoir le moins de boulons possible. Et cetera...

Cependant, l'objectif désiré par un auteur d'une structure d'apparence simple et propre peut être vraiment indésirable pour un ingénieur en structure et encore moins apprécié par un fabricant et un monteur.

Mais quelle que soit la situation actuelle, l'ingénieur en structure bien formé, ouvert d'esprit et passionné n'est pas là pour trouver le moyen d'éviter les situations difficiles, mais pour les résoudre.

Examinons de plus près ce qui se cache derrière les structures HSS. Quelles sont les sections HSS ? Tous les types qui ne sont pas ouverts (c'était assez facile, non ?).

Formes standard des HSS

Quel est l'arsenal de tubes disponible pour la conception par un ingénieur en structure ?

RHS – section rectangulaire creuse

SHS – section carrée creuse

CHS – section circulaire creuse

Section elliptique, assez rare

Utilisation des éléments HSS

Les éléments HSS peuvent être utilisés partout, mais les applications les plus courantes sont les suivantes :

Poteaux
Contreventements
Treillis
Poutres courbes

Comment les tubes sont-ils fabriqués ?

C'est une question assez classique : comment sont fabriqués tous les tubes ? Les éléments tubulaires sont fabriqués de deux manières différentes :

Formés à froid / laminés + soudés

(les tubes sont créés en pliant la tôle dans la forme requise, puis soudés dans une section fermée)

Fraisage en continu

(le matériau de base est chauffé à blanc et formé en cylindre, puis une pointe de perçage en forme de balle y est enfoncée)

Avantages des éléments HSS

Esthétiques – aspect plus net que les sections ouvertes
Économiques – ils pèsent moins, donc en général, ils devraient être moins chers par mètre ; moins de surface avec des coûts de finissage moins élevés
Excellents paramètres statiques – résistance à la torsion jusqu'à 200 fois supérieure à celle des sections ouvertes (formes de I, C, L et T) ; capacité de compression également plus élevée pour la même longueur sans raidisseurs
Utilisable comme enveloppe pour un poteau en béton (pour une capacité axiale accrue)
Large gamme de dimensions standard

En parlant d'une large gamme de dimensions standard, quelles sont les dimensions standard maximales disponibles aujourd'hui ? La réponse se trouve dans la nouvelle usine de fabrication de tubes en acier par soudage, la plus grande du monde, qui vient d'être construit à Chicago et qui fait la fierté du fabricant américain de tubes et tuyaux en acier Zekelman Industries. Jusqu'au présent, la taille maximale de HSS aux États-Unis était 406x406x16 mm. Dans cette nouvelle usine, ils ont augmenté les dimensions maximales des tubes jusqu'à : SHS – 559x25 mm RHS – 864x254x25 mm CHS – 711x25 mm

Désavantages des éléments HSS

Pas idéaux en tant qu'éléments de flexion (résistant au moment de flexion) en raison de la plus grande quantité d'acier utilisée en comparaison avec une section en forme de I équivalente.
Les assemblages boulonnés sont difficiles à installer car la section est fermée.

Comment traiter les assemblages de sections creuses ?

Le projet HUNGEXPO réalisé par KÉSZ Roumanie est un chef-d'œuvre en matière d'utilisation de sections creuses pour une structure de toit, même en ce qui concerne un lien BIM entre plusieurs outils de conception. C'est un exemple de réussite où un concept architectural exigeant, des compétences en ingénierie et des outils de conception modernes se sont rencontrés.

Flux de travail de conception avec des liens logiciels :

Rhinoceros/Grasshopper -> plug-in Pangolin -> ConSteel -> IDEA StatiCa Connection -> Tekla Structures

Bien sûr, de telles structures ne sont pas le pain quotidien de la majorité des ingénieurs en structure. Le plus souvent, il s'agit d'assemblages standard préparés conformément aux normes de conception.

Normes et manuels traitant la conception des assemblages HSS

Si vous souhaitez vous familiariser avec certaines directives régionales, voici les principales d'entre elles :

AISC 360 – Chapitre K
AISC Design Guide #24 : Hollow Structural Section Connections
CISC Design Guide (Hollow Structural Section – Connections and Trusses 1997)
EN 1993-1-8 – Chapitre 7
CIDECT (Comité International pour le Développement et l'Étude de la Construction Tubulaire) Design Guides
HSS Design manual, Volume 3 : CONNECTIONS AT HSS MEMBERS (Steel Tube Institute)
etc.

Que vous suiviez un manuel de conception, une série d'assemblages d'entreprise ou que vous créiez un nouveau type d'assemblage à partir de zéro, cela n'a pas vraiment d'importance. Vous devez toujours suivre les mêmes étapes de base :

Et si la vérification n'est pas correcte au premier tour, vous devez itérer jusqu'à ce que vous y parveniez.

Avantages de résolution d'un assemblage HSS dans IDEA StatiCa

L'ensemble des modèles de conception initiaux intégrés dans l'application IDEA StatiCa Connection permet de gagner beaucoup de temps, particulièrement au début. Il existe des dizaines de modèles préparés dans l'assistant de démarrage, prêts pour être complétés par un ingénieur ou dessinateur.

Au cas où la première idée ne devient pas la meilleure solution, un simple clic droit sur la fonction « Connecter à » fait apparaître d'autres dizaines de modèles dans la fenêtre de navigation Assemblage. Ici, on trouve non seulement les séries par défaut mais aussi les dessins de l'utilisateur et ceux qui conviennent à la géométrie donnée sont affichés en quelques secondes.

Si cela vous intéresse et vous souhaitez essayer des exemples des projets complétés, vous pouvez les facilement télécharger dans notre Centre d'assistance IDEA StatiCa.

Les options pour des assemblages boulonnés des sections creuses :

Comme première option pour rendre un assemblage HSS montable, vous pouvez penser à quelques solutions simples. Cependant, ces réponses simples peuvent aussi apporter quelques problèmes.

Solution simple	Problème possible
1) Utilisation de boulons traversants	Ceux-ci peuvent déformer la forme de la section creuse lors du resserrement.
2) Couper le filet dans la voile de l'élément HSS	Les filets coupés ne doivent pas être suffisamment résistants à la traction.
3) Souder l'écrou du côté intérieur de l'élément HSS	Les écrous soudés entraînent des coûts supplémentaires pour le soudage et ne sont pas toujours réalisables dans les espaces étroits.

Heureusement, nous ne sommes pas les premiers à avoir inventé cette roue. Il existe quelques autres options sur le marché, prêtes à aider à boulonner les sections creuses.

c) SHURIKEN – soutien de l'écrou structurel

Quels outils peuvent être utilisés pour la conception d'assemblages HSS ?

Il existe beaucoup d'applications de conception d'assemblages sur le marché. Steel Tube Institute a préparé un très bon aperçu des possibilités dans son récent article consacré aux outils logiciels actuels pour les assemblages HSS. L'application IDEA StatiCa Connection s'est très bien placée car elle est le seul outil basé sur la méthode MEF et donc capable de modéliser n'importe quelle topologie d'assemblage. Selon cet aperçu, IDEA StatiCa est également le seul outil à satisfaire tous les paramètres évalués.

Quels problèmes peuvent apparaître au cours de la conception ?

Très souvent, des erreurs négligées ou des imperfections dans la conception peuvent être causées par des vérifications manquantes de voilement local d'un élément creux. Pour les utilisateurs de IDEA StatiCa Connection, il s'agit d'une tâche facile puisqu'il y a une simple boîte à cocher dans le dialogue de configuration. Lorsque cette fonction est activée, la vérification de déformation locale est partie de l'analyse de l'assemblage.

Les spécifiques liés aux assemblages HSS ont également été expliqués dans notre Base théorique dédié aux assemblages d'éléments à section creuse.

Outre la question de la déformation locale, nous pouvons constater une différence importante entre les modes de rupture des éléments à voile mince et des éléments à section creuse standard :

(ligne rouge – éléments à voile mince, ligne verte – éléments standard en compression, ligne bleue – éléments standard en traction)

Autres ressources sur les assemblages des sections creuses

La conception et l'analyse des assemblages HSS ne pourraient être suffisamment précises sans l'analyse non linéaire matérielle et géométrique (GMNA). Dans quel but a-t-elle été développée et quand l'utiliser ? Toutes les informations nécessaires sont résumées dans l'un de nos précédents articles de blog consacrés à ce sujet.

Si vous êtes à la recherche d'inspiration pour les sections creuses circulaires, vous pourriez être intéressé par ces webinaires consacrés à des assemblages des éléments de contreventement CHS et à des assemblages multi-éléments 3D combinant les sections CHS et SHS.

Le défi que doivent relever les ingénieurs d'aujourd'hui a aussi été décrit par Jason McCool dans son interview pour le Steel Tube Institute. Il a déclaré qu'une bonne approche pour faire face à la complexité des exigences actuelles en matière d'assemblages consiste à sortir des sentiers battus, ou du moins à s'appuyer sur des solutions approuvées dans différentes régions.

Dans notre monde globalisé, sans frontières informatives, il peut être très enrichissant de s'inspirer des ingénieurs de différentes parties du monde. Bien qu'il n'existe pas d'assemblage parfait pour chaque structure, nous pouvons toujours améliorer nos conceptions en partageant nos meilleures pratiques.

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