Les mises à jour proposées de la norme de construction en acier pourraient améliorer la résistance aux séismes

Les mises à jour proposées de la norme de construction en acier pourraient améliorer la résistance aux séismes

Avant 1994, les âmes des poteaux en acier étaient souvent relativement peu profondes (à droite) dans les bâtiments à charpente en acier. Mais depuis lors, les concepteurs de bâtiments ont satisfait aux exigences de dérive en sélectionnant des poteaux avec des âmes plus longues ou plus profondes (à gauche) pour augmenter leur rigidité latérale. Crédit : N. Hanacek/NIST

Depuis le milieu des années 1990, un type de colonne en acier qui présente généralement des éléments de section transversale minces est devenu plus répandu dans les bâtiments le long de la côte ouest des États-Unis et dans d’autres régions sismiquement actives. Bien que ces colonnes soient conformes aux normes de conception modernes, notre compréhension de leur comportement lors d’un tremblement de terre a été limitée par un manque de tests à grande échelle.

À l’aide d’un dispositif de simulation de tremblement de terre connu sous le nom de table vibrante, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l’Université de Californie à San Diego (UC San Diego) ont identifié des lacunes dans les performances de ces colonnes, avec de nombreux flambements prématurés. Sur la base des résultats, documentés dans un rapport du NIST, et d’une analyse détaillée des données de test, les chercheurs ont conçu de nouvelles limites pour l’élancement des colonnes, décrites dans un article publié dans le Journal of Structural Engineering en avril dernier. L’American Institute of Steel Construction (AISC), un organisme de normalisation, a adopté les limites proposées dans un projet de rétroaction du public de l’édition 2022 de l’AISC 341, une norme qui fournit des conseils sur la conception de bâtiments en acier résistant aux séismes.

« De nombreuses dispositions de conception actuelles sont basées sur des tests de colonnes à échelle réduite ou sur un très petit nombre de tests à grande échelle. Mais les tests à grande échelle que nous avons menés ici nous ont permis de commencer à combler le manque de connaissances concernant les performances de ces types de colonnes dans des conditions de charge extrêmes », a déclaré l’ingénieur en structure du NIST, John Harris. « Les résultats ont soutenu le développement d’orientations améliorées pour les nouveaux bâtiments et pourraient éclairer la prise de décision sur la modification des colonnes dans les structures existantes.

Tout au long des années 1990, les ingénieurs ont acquis une connaissance approfondie de la manière dont les structures réagissent aux vrais tremblements de terre, tels que le tremblement de terre de Northridge en 1994, qui a dévasté la grande région de Los Angeles. En conséquence, les codes du bâtiment ont commencé à imposer des exigences strictes sur le degré auquel les bâtiments pouvaient se balancer pendant les tremblements de terre, une mesure connue sous le nom de dérive de l’histoire.

Les colonnes en acier dans les bâtiments à plusieurs étages, avec des sections transversales en forme de « I » majuscule, supportent bien les forces descendantes créées par le poids des planchers et du toit reposant sur elles. Mais un sol tremblant peut introduire des forces supplémentaires dans toutes les directions, provoquant potentiellement un balancement latéral des colonnes, contribuant à la dérive de l’histoire. Avant 1994, la partie médiane des sections transversales en forme de I des colonnes, appelées âmes, était souvent relativement courte dans les bâtiments à charpente en acier. Mais depuis lors, les concepteurs de bâtiments ont satisfait aux exigences de dérive des étages en sélectionnant des colonnes avec des âmes plus longues ou plus profondes et généralement plus minces pour augmenter leur rigidité latérale.

Selon les normes de construction actuelles, l’utilisation de ces colonnes profondes était acceptable tant que les dimensions de leur âme ne dépassaient pas certains rapports profondeur/largeur – connus sous le nom de limite d’élancement – destinés à réduire le risque que les colonnes perdent leur capacité à supporter le poids. pendant les tremblements de terre, a déclaré Harris. Cependant, certains ingénieurs ne savaient pas comment ces colonnes résisteraient aux mouvements sismiques réels.

Lorsque les limites d’élancement ont été développées il y a des décennies, les ingénieurs n’avaient pas la capacité de tester les performances sismiques de colonnes à grande échelle comme celles réellement utilisées dans les bâtiments. Au lieu de cela, ils ont basé les limites sur des colonnes de modèle à échelle réduite, créant une certaine incertitude quant à leur efficacité dans la réalité. Mais les tests à grande échelle sont depuis devenus possibles grâce à la disponibilité d’installations très puissantes, appelées tables à secousses, conçues pour faire passer les composants structurels à grande échelle à travers le gant sismique.

Pour évaluer les limites d’élancement, Harris a travaillé avec d’autres experts en ingénierie structurelle de la Jacobs School of Engineering de l’UC San Diego, avec accès à l’une des tables à secousses du campus, appelée Caltrans Seismic Response Modification Device (SRMD) Test Facility.

Les chercheurs ont testé 48 colonnes profondes, offertes par l’AISC et Herrick Corporation, un fabricant d’acier, chacune de 5 1/2 mètres de long et avec des toiles d’épaisseur variable. À l’aide du SRMD, ils ont recréé les effets des tremblements de terre (qui peuvent varier considérablement d’un tremblement de terre à l’autre) sur les colonnes.

La machine a simulé le poids des bâtiments sur les colonnes en appliquant une compression constante ou fluctuante, cette dernière représentant les forces qui traversent la structure lorsque le bâtiment oscille d’avant en arrière. En secouant une extrémité de la colonne d’avant en arrière avec le système hydraulique du SRMD, l’équipe a simulé une gamme de mouvements latéraux induits par le séisme, dont le degré, en réalité, dépend de la distance d’un bâtiment à la ligne de faille que les mouvements du sol sismiques émanent à partir de.

L’équipe a mesuré la réponse de chaque colonne pendant le test, prenant note de tout changement permanent de sa forme. De plus, ils ont recouvert les colonnes d’une couche de peinture blanche qui commencerait à s’écailler à mesure que l’acier se pliait, rendant la déformation permanente plus visuellement apparente. Ils testèrent chaque colonne jusqu’à ce qu’elle ne puisse plus s’opposer aux forces exercées par la machine, poussant certaines à se déformer près de leurs extrémités et d’autres à se contorsionner sur toute leur longueur. Parmi les colonnes déformées, ils ont relevé un motif révélateur.

« Nous avons remarqué que, au fur et à mesure que les colonnes devenaient plus trapues et moins minces, elles pouvaient plus facilement parcourir tout le protocole de chargement sans perdre une partie importante de leur capacité à résister aux mouvements du tremblement de terre », a déclaré Harris.

Leurs résultats suggèrent que les tests à petite échelle précédents ne donnaient pas une image complète des performances des colonnes profondes et que les âmes des colonnes respectant les limites prescrites par les codes actuels peuvent être encore trop minces.

En gardant à l’esprit les exigences de dérive de l’histoire, Harris et ses partenaires de recherche à l’UC San Diego ont pu proposer de nouvelles limites d’élancement avec les données des expériences à grande échelle. Les colonnes avec des âmes dimensionnées selon la nouvelle limite pourraient potentiellement répondre aux exigences de dérive et de stabilité en même temps.

Les chercheurs ont soumis les limites révisées à l’AISC pour examen, ce qui a conduit l’organisation à inclure les limites dans un projet de l’édition 2022 de l’AISC 341. Lorsque la nouvelle version sera publiée en décembre, les limites plus strictes sur les âmes des colonnes en acier pourraient assouplir le coup de tremblements de terre, sauvant potentiellement les bâtiments nouvellement conçus de dommages inutiles ou d’un effondrement partiel.

À l’avenir, les chercheurs visent également à intégrer les limites dans les normes d’évaluation des bâtiments existants, permettant aux ingénieurs d’identifier les colonnes profondes nécessitant des mesures correctives telles que l’ajout de contreventement. Mais pour l’instant, l’AISC accepte les commentaires du public jusqu’au 21 février 2022 sur son projet de norme, qui est disponible en téléchargement sur son site.


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Plus d’information:
Gulen Ozkula et al, Development of Enhanced Seismic Compactness Requirements for Webs in Wide-Flange Steel Columns, Journal de l’ingénierie structurelle (2021). DOI : 10.1061 / (ASCE) ST.1943-541X.0003036

Fourni par l’Institut national des normes et de la technologie

Citation: Les mises à jour proposées de la norme de construction en acier pourraient améliorer la résilience aux séismes (2022, 10 janvier) récupéré le 10 janvier 2022 à partir de https://techxplore.com/news/2022-01-steel-standard-earthquake-resilience.html

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