Comportement structurel des profilés en acier formés à froid

Types de profilés en acier formés à froid

À la fin des années 1980, les chercheurs ont spécifié certaines conditions critiques pour la production de masse de logements, et les sections en acier formées à froid ont des propriétés vigoureuses pour atteindre ces conditions [2].

• Les éléments de construction doivent être relativement petits, démontables et aussi simples que possible.
• Le réseau de lignes et de tuyaux doit être très indépendant des autres éléments de construction.

Plusieurs méthodes de construction sont actuellement utilisées dans le secteur, mais la méthode la plus courante est la méthode de construction par bâtons. Dans cette méthode, l'assemblage final est effectué sur le site. Un exemple d'assemblage de mur testé sous de nombreux aspects (structurel, thermique, acoustique) par différents chercheurs est illustré dans la figure 1 [3]. Les charges verticales sont supportées par les solives de plancher et les poteaux muraux. Les sections d'acier minces et relativement longues sont aussi simples que possible et démontables, et les composants du système mécanique se déplacent à l'intérieur des composants structurels de manière indépendante.

Figure 1. Exemple d'assemblage de mur [3] 

Les éléments formés à froid et les tôles profilées sont des produits en acier fabriqués à partir de bandes ou de bobines plates laminées à chaud ou à froid, revêtues ou non. Ils ont une section transversale constante ou variable dans la plage de tolérances acceptable. Les éléments de structure formés à froid peuvent être classés en deux groupes. Le premier groupe comprend les éléments individuels, tels que les goujons, les poutrelles, etc. (Figure 2). Le deuxième groupe comprend les éléments de panneau et de tablier (Figure 3) [1].

Figure 2. Sections typiques formées à froid pour des éléments individuels

Figure 3. Sections typiques formées à froid pour terrasses

Dans la plupart des applications, les concepteurs choisissent des sections ouvertes, des hauteurs de 50-70 mm à 350-400 mm et des épaisseurs de 0,7 mm à 6,0 mm. Pour les terrasses, les épaisseurs de section peuvent diminuer jusqu'à 0,3 mm. Les systèmes hybrides (combinés avec des éléments en acier formés à froid et des sections en acier laminées à chaud) sont également une option pratique pour surmonter les problèmes résultant des irrégularités du système structurel. Cependant, si les plans architecturaux, les volumes et les dimensions sont adaptés, il est possible de concevoir l'ensemble de la structure sans utiliser aucun autre élément structurel.

Les éléments en acier formés à froid sont reliés entre eux par des vis, des rivets et des boulons. En raison de sa flexibilité d'utilisation, il est simple d'établir des connexions à partir de chaque partie de la section. Outre les connexions acier-acier, les surfaces planes des sections en acier peuvent être reliées à des matériaux de revêtement tels que les panneaux OSB et les plaques de plâtre qui offrent une rigidité importante [4].
Pour augmenter la rigidité des profilés et tôles formés à froid, on utilise des raidisseurs de bord et intermédiaires. Le raidisseur d'une section transversale désigne les petites parties courbées de la partie plate de la section [5].

Figure 4. Le raidisseur d'une section

Comportement structurel

Les sections en acier formées à froid sont généralement minces et certaines parties des sections sont relativement longues par rapport à leur épaisseur. Les rapports épaisseur/longueur de la section ou largeur/longueur de la section sont limités dans les codes à l'utilisation des formules correspondantes données dans le code. Cependant, si les sections sont testées physiquement, des rapports différents peuvent être utilisés [6].

Figure 5. Portions typiques à section ouverte

La stabilité de la section transversale est une préoccupation importante pour les sections formées à froid. Ces formes peuvent être considérées comme des sections « minces » ou « non compactes », ce qui signifie qu'aucune fibre de la section ne peut atteindre la limite d'élasticité sous une charge spécifique avant de flamber localement ou globalement. De plus, pour les éléments à parois minces, il est possible d'observer au moins un flambement local même si la section est entièrement contreventée contre la torsion ou le déplacement latéral. Ainsi, les cas de flambement font l'objet d'une attention particulière lors de la conception des sections à parois minces. Il existe plusieurs modes de flambement prévalents pour les structures à parois minces. Il s'agit principalement de flambement local, par distorsion et global. Pour certains cas exceptionnels, le flambement par cisaillement et le fléchissement de l'âme doivent être évalués pour la stabilité de la section [7].

Jusqu'à la fin des années 1970, la méthode de largeur effective de Winter [8] était une méthode de calcul standard. En 1978, Hancock [9][7] a proposé d'utiliser une courbe de signature, qui illustre les modes de flambage liés à la longueur de l'élément. Un graphique est construit avec le calcul des contraintes de flambage critiques pour chaque longueur. Les minima du graphique définissent un cas de flambage spécifique. Tout d'abord, les plus grandes parties de la section sortent du plan et les coins de la section restent (point A sur la figure 6). Lorsque la longueur augmente, la contrainte a tendance à augmenter puis à diminuer. Le graphique donne à nouveau un minima pour une certaine longueur, et un flambage par distorsion se produit dans la longueur correspondante. En général, les parties comportant des raidisseurs sortent totalement du plan (point B sur la figure 6). Pour les longueurs plus grandes, l'élément est soumis à un flambage global.

Figure 6. Tracé typique d'une courbe de signature d'une section à parois minces

Dans la pratique courante, les éléments sont reliés les uns aux autres par leurs parties fines. Par exemple, des poutres en forme de C peuvent être posées sur un élément rigide. Dans ce cas, l'âme peut être soumise à un flambage local, appelé « écrasement de l'âme ». L'écrasement de l'âme peut être un problème critique dans les structures en acier formées à froid, car cette action crée un support mou et faible pour l'élément [1].

Les goujons et les poutres sont généralement utilisés avec des trous sur leur âme et leurs brides. Les effets des trous pour les boulons et les vis sont mineurs, mais les trous pour le passage des services publics tels que l'électricité, la plomberie ou autres affectent la rigidité [10]. En raison de la perturbation de la distribution des contraintes sur les contraintes dues aux trous, les ouvertures peuvent diminuer ou augmenter la charge de flambage critique en fonction de la demi-longueur d'onde et de la configuration des trous [7].

Références

[1] Dubina, D.; Ungureanu, V.; R. Landolfo (2012). Design of Cold-Formed Steel Structures, ECCS.
[2] Bats, J. O.; Janssen, J. F. G.; Industrial Housing with Cold-Formed Sheet-Steel Elements, in Proceedings of the 9th Int. Specialty Conference on Cold-Formed Structures. 1988.
[3] G. D. Corte; L. Fiorino; and R. Landolfo; Seismic Behavior of Sheathed Cold-Formed Structures: Numerical Study. 2006.
[4] Baran E, Alica C, Behavior of cold-formed steel wall panels under monotonic horizontal loading, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 79, 2012, pp 1-8,
[5] Peköz, Teoman; Winter, George; and Desmond, T. P., “Edge Stiffeners for Cold-formed Steel Members”
(1978). International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures. 6.
[6] EN 1993-1-3 (2006): Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-3: General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting.
[7] Adany S; Signature curve for general thin-walled members. Proceeding of the annual stability conference, Baltimore, Maryland, 2018.
[8] Winter, G.: “Light Gage (Thin-Walled) Steel Structures for Building in the U.S.A.,” preliminary publication, 4th Congress of the International Association for Bridge and Structural Engineering, 1952.
[9] Hancock, G.J. (1978), Local, Distortional, and lateral buckling of I-beams, ASCE Journal of structural engineering, 104(11), pp. 1787-1798.
[10] Moen, C.D., Schafer, B.W., 2009. Direct Strength Design of Cold-formed Steel Members with Perforations, Research Report. American Iron and Steel Institute (AISI), Washington, DC.